Электроуправляемая лазерная генерация на двухполостном перовскитном устройстве
Ученые продемонстрировали работающий на электричестве перовскитный лазер с двумя резонаторами в конструкции, решив проблему, которая существовала в этой области более десятилетия. Прибор основан на интегрированной двухполостной архитектуре, которая разделяет функции электрооптического преобразования и оптического усиления между двумя специализированными компонентами — под действием электрических импульсов интенсивное направленное излучение перовскитного светодиода в первом микрорезонаторе поглощается монокристаллом перовскита во втором микрорезонаторе, что обеспечивает усиление света и последующую генерацию лазерного излучения.
Рис.1. Схема двухрезонаторного перовскитного лазера с электроприводом.
Механизм основан на тщательно разработанной оптической связи между двумя резонаторами. Первый микрорезонатор содержит мощный светодиод на основе перовскита, а второй — низкопороговый монокристаллический перовскитный микрорезонатор. Микрополость I отвечает за генерацию интенсивного направленного потока фотонов, который поступает в микрополость II, в то время как микрополость II отвечает за усиление света и лазерную генерацию. Архитектурная структура была ориентирована на решение технических задач, связанных с качеством кристаллов и эффективностью оптической связи.
Для создания двухполостной системы потребовалось разработать два отдельных перовскитных компонента с разными функциями. Для лазерного — выращивание высококачественных монокристаллов формамидиния иодида свинца (FAPbI₃) методом кристаллизации при обратной температуре в ограниченном пространстве, что позволило получить шероховатость поверхности всего 0,7 нм и толщину около 180 нм. В компоненте электрического насоса использовался другой состав перовскита, Cs₀.₅FA₀.₅PbI₂Br, изготовленный в виде мощного светодиода с помощью методов обработки раствора.
Рис.2. Частотная характеристика двухрезонаторного перовскитного лазера с электроприводом. Источник: Электроприводная генерация лазера двухрезонаторным перовскитным лазером.
Оба компонента были помещены между распределенными брэгговскими отражателями с тщательно спроектированными оптическими свойствами для максимального усиления световой связи между полостями. За счет уменьшения расхождения излучения из микрополости I и расстояния связи между двумя микрополостями эффективность оптической связи между двумя микрополостями была улучшена до 82,7%. Эта эффективность оказалась критически важной. Сравнительные исследования показали, что двухрезонаторная конструкция обеспечивает снижение порога генерации в 4,7 раза по сравнению с однорезонаторной архитектурой.
Порог генерации достиг минимального значения 92 А/см² при среднем значении 129 А/см². Это на порядок превосходит показатели лучших органических лазеров с электроприводом. За пределами низкого порога перовскитный лазер продемонстрировал рабочий период полураспада 1,8 часа при импульсном возбуждении (64 000 импульсов напряжения при 10 Гц), превзойдя существующие органические лазеры с электрической накачкой.
Лазер достиг полосы пропускания 36,2 МГц, что означает, что он может включаться и выключаться 36,2 миллиона раз в секунду, с временем нарастания и спада 5,4 и 5,1 наносекунды соответственно. Это говорит о том, что устройство может использоваться для оптической передачи данных.
