Das Shanghai Institute of Optical Mechanics der Chinesischen Akademie der Wissenschaften macht Fortschritte bei der auf Symmetrietechnik basierenden Rydberg-State-Single-Mode-Polarisations-Exzitonenlaserung mit extrem niedrigem Schwellenwert

Kürzlich hat ein Forscherteam des Forschungszentrums für optische Infrarotmaterialien des Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), Hongxing Dong und Long Zhang, in Zusammenarbeit mit der Huazhong University of Science und Technology (HUST) berichtete über einen neuen Mechanismus zur Erzeugung dynamisch abstimmbarer Single-Mode-Laser aus Exziton-Polariton-Anregungen mit extrem niedrigen Schwellenwerten. Die entsprechenden Forschungsergebnisse werden in der Veröffentlichung „Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing“ vorgestellt. „Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering“ wurde in Nano Letters veröffentlicht.
Die Realisierung von Single-Mode-Nanolasern mit hoher Energieeffizienz und einstellbarer Bandbreite ist für viele technologische Anwendungen wie die rein optische Informationsverarbeitung, optische Verschlüsselung, hochauflösende biomedizinische Bildgebung und miniaturisierte Smart Displays von entscheidender Bedeutung. Mehrere derzeit angewandte Strategien zur Herstellung von Single-Mode-Lasern weisen immer noch Einschränkungen auf. Darüber hinaus sind die derzeitigen Mittel zur Regulierung der Emissionswellenlänge von Natur aus statisch, und es müssen neue Mechanismen erforscht werden, mit denen sich dynamisch abstimmbare Single-Mode-Laser erzeugen lassen. Exzitonenpolarisierte Exzitonen, die sowohl die Eigenschaften von Photonen als auch von Exzitonen haben, haben in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit erhalten. Im Vergleich zu herkömmlichen Lasern erfordern polarisierte Exzitonenlaser keine Umkehrung der eingestellten Hauszahl und können eine Modenabstimmung durch die Modulation quantisierter Exzitonen-polarisierter Exzitonenzustände erreichen, was eine ideale Plattform für die Untersuchung dynamisch abstimmbarer Laser mit extrem niedriger Schwelle darstellt.

Abb. 1 (a) Schematische Darstellung eines quantenpolarisierten Exzitonenzustands in einer symmetrischen Falle; (b) simulierte PL-Spektren entsprechend der in a gezeigten experimentellen Konfiguration; (c) quantenpolarisierter Exzitonenzustand in einer asymmetrischen Falle; (d) simulierte PL-Spektren entsprechend der in c gezeigten experimentellen Konfiguration; (e) SEM-Bild eines typischen ZnO-Mikrostabs; (f) winkelaufgelöstes PL-Bild eines typischen ZnO-Mikrostabs mit einem Radius von 1,27 μm. (g) Ortsaufgelöstes PL-Bild eines polarisierten Exzitons, das in einer Falle eingeschlossen ist.
Die Forscher berichten über die Realisierung eines abstimmbaren monomodalen polarisierten Exzitonenlasers aus hochangeregten Rydberg-Zuständen durch Symmetrietechnik. Das Brechen der Symmetrie der polarisierten Exzitonenwellenfunktion durch eine Potentialfalle und die Steuerung der räumlichen Überlappung zwischen dem Verstärkungsbereich und dem Eigenmodus ermöglichen die Erzeugung reversibler und dynamischer polarisierter Exzitonenlaser mit einem Modus aus quantisierten polarisierten Exzitonenzuständen. Die Erhöhung der Asymmetrie des Potentialtopfs ermöglicht Single-Mode-Laser auch in stark angeregten Zuständen mit einer Hauptquantenzahl von N=14. Darüber hinaus kann die Laserschwelle im Vergleich zum herkömmlichen Lasern aufgrund der hervorragenden Überlappung der Reservoir-Eigenmoden und der effektiven räumlichen Eingrenzung um sechs Größenordnungen gesenkt werden. Der in den Forschungsergebnissen erläuterte Mechanismus hängt nicht von einem bestimmten Material ab und ist auf verschiedene polarisierte Exzitonensysteme anwendbar, was einen neuen Weg für die Entwicklung schwellenfreier polarisierter Exzitonenlaser mit dynamischer Abstimmbarkeit eröffnet.

Abb. 2 (ad) Pumppositionsabhängigkeit ortsaufgelöster PL-Bilder in einer symmetrischen Falle. Δx in jeder Abbildung stellt die Verschiebung des Anregungslaserflecks vom Fallenzentrum dar; (e) Spektren, die jeweils den in der Anzeige gezeigten Bildern entsprechen; und (fi) Pumppositionsabhängigkeit ortsaufgelöster PL-Bilder in einer asymmetrischen Falle. Δx stellt die Verschiebung des Pumplaserflecks von der Antipodenebene der Polaritonwellenfunktion im Grundzustand dar. Pumpleistung: 1,25 Pth; (j) Spektren, die jeweils den in f-1 gezeigten Bildern entsprechen.

Abb. 3 (ad) Ortsaufgelöste PL-Bilder einer stark asymmetrischen Falle, die selektiv in N=2, 3, 7 bzw. 14 angeregten Zuständen gepumpt wird, mit einer Pumpleistung von: 1,35 Pth; (e) Ortsaufgelöste PL-Bilder eines stark asymmetrischen Brunnens, der selektiv in N=2, 3, 7 bzw. 14 angeregten Zuständen gepumpt wird, mit einer Pumpleistung von 1,35 Pth.