Shanghai Institute of Optical Mechanics, Chinese Academy of Sciences, gör framsteg inom symmetriteknikbaserad ultralågtröskel Rydberg State Single-mode Polarized Exciton Lasing

Nyligen har ett team av forskare från Research Center for Infrared Optical Materials, Shanghai Institute of Optics and Precision Machinery (SIPM) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), Hongxing Dong och Long Zhang, i samarbete med Huazhong University of Science och Technology (HUST), rapporterade en ny mekanism för att generera dynamiskt avstämbara singelmodslasrar från excitonpolaritonexcitationer med ultralåga trösklar, och de relaterade forskningsresultaten presenteras i artikeln "Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing". Rydberg State Single-Mode Polariton Lasing with Ultralow Threshold via Symmetry Engineering" publicerades i Nano Letters.
Förverkligandet av singelmode nano-lasrar med hög energieffektivitet och avstämbar bandbredd är avgörande för många tekniska tillämpningar som helt optisk informationsbehandling, optisk kryptering, superupplöst biomedicinsk bildbehandling och miniatyriserade smarta skärmar. Flera strategier som för närvarande används för att erhålla singelmodslasrar har fortfarande begränsningar. Dessutom är de nuvarande sätten att reglera emissionsvåglängden i sig statiska, och nya mekanismer som kan generera dynamiskt avstämbara singelmodslasrar måste utforskas. Excitonpolariserade excitoner, som har egenskaperna hos både fotoner och excitoner, har fått stor uppmärksamhet de senaste åren. Jämfört med konventionella lasrar kräver polariserade excitonlasrar inte invertering av inställt husnummer och kan uppnå lägesinställning genom modulering av kvantiserade excitonpolariserade excitontillstånd, vilket är en idealisk plattform för studier av dynamiskt avstämbara lasrar med ultralågtröskelvärde.

Fig. 1 (a) Schematiskt diagram av ett kvantpolariserat excitontillstånd i en symmetrisk fälla; (b) simulerade PL-spektra som motsvarar den experimentella konfigurationen som visas i a; (c) kvantpolariserat excitontillstånd i en asymmetrisk fälla; (d) simulerade PL-spektra som motsvarar den experimentella konfigurationen som visas i c; (e) SEM-bild av en typisk ZnO-mikrostav; (f) vinkelupplöst PL-bild av en typisk ZnO-mikrostav med en radie på 1,27 μm. (g) Rumsligt upplöst PL-bild av en polariserad exciton innesluten i en fälla.
Forskarna rapporterar realiseringen av avstämbar single-mode polariserad exciton som lasers från mycket exciterade Rydberg-tillstånd genom symmetriteknik. Att bryta symmetrin för den polariserade excitonvågfunktionen genom en potentialfälla och kontrollera den rumsliga överlappningen mellan förstärkningsregionen och egenmoden möjliggör generering av reversibla och dynamiska enmods polariserade excitonlasrar från kvantiserade polariserade excitontillstånd. Att öka asymmetrin hos den potentiella brunnen möjliggör singelmodslasring även i starkt exciterade tillstånd med ett huvudsakligt kvantantal på N=14. Dessutom kan lasringströskeln sänkas med sex storleksordningar jämfört med konventionell lasring på grund av utmärkt reservoaregenmodsöverlappning och effektiv rumslig inneslutning. Mekanismen som utvecklats i forskningsresultaten är inte beroende av något specifikt material och är tillämpbar på olika polariserade excitonsystem, vilket öppnar upp en ny väg för utveckling av tröskelfria polariserade excitonlasrar med dynamisk avstämning.

Fig. 2 (ad) Beroende av pumpposition för rumsligt upplösta PL-bilder i en symmetrisk fälla. Δx som anges i varje figur representerar förskjutningen av excitationslaserfläcken från fällans centrum; (e) spektra som motsvarar bilderna som visas i annonsen. och (fi) pumppositionsberoende för rumsligt upplösta PL-bilder i en asymmetrisk fälla. Δx representerar förskjutningen av den pumpande laserfläcken från antipodalplanet för marktillståndets polaritonvågfunktion. Pumpeffekt: 1,25 Pth; (j) Spektra som motsvarar bilderna som visas i f-1.

Fig. 3 (ad) Rumsligt upplösta PL-bilder av en mycket asymmetrisk fälla selektivt pumpad vid N=2, 3, 7 respektive 14 exciterade tillstånd med pumpeffekt: 1,35 Pth; (e) Rumsligt upplösta PL-bilder av en mycket asymmetrisk brunn selektivt pumpad vid N=2, 3, 7 respektive 14 exciterade tillstånd, med pumpeffekt: 1,35 Pth.