Oct 04, 2023
2D 조정 가능 모두
과학 보고서 13권,
Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8337(2023) 이 기사 인용
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측정항목 세부정보
가시광선에서 방출되는 2차원(2D) 고체 랜덤 레이저가 시연되었으며, 여기서 광학 피드백은 염료 도핑된 폴리머 필름의 공기 구멍의 무질서한 배열을 제어하여 제공됩니다. 임계값이 최소이고 산란이 가장 강한 최적의 산란 밀도를 찾습니다. 우리는 산란 밀도를 줄이거나 펌프 면적을 늘리면 레이저 방출이 적색 편이될 수 있음을 보여줍니다. 우리는 펌프 면적을 변화시킴으로써 공간적 일관성이 쉽게 제어된다는 것을 보여줍니다. 이러한 2D 무작위 레이저는 소형 온칩 조정 가능 레이저 소스와 가시광선에서 비에르미트 포토닉스를 탐색할 수 있는 고유한 플랫폼을 제공합니다.
기존 레이저는 제한된 수의 공간 모드로 인해 높은 공간 일관성으로 알려져 있습니다. 이러한 특성으로 인해 레이저 방출은 방향성이 높습니다. 반면, 높은 공간적 일관성은 정보 콘텐츠를 파괴하고 해상도를 감소시키기 때문에 레이저 기반 디스플레이 시스템에서 바람직하지 않은 효과인 반점 노이즈1를 유발합니다2. 무작위 레이저(RL)는 새로운 종류의 레이저로, 활성 무질서 매체3에서 다중 탄성 산란에 의해 빛이 제한됩니다. RL은 상관되지 않은 여러 레이저 모드4의 방사로 인해 낮은 공간 일관성을 제공할 수 있기 때문에 기존 레이저에 대한 흥미로운 대안입니다. 이러한 레이저 장치는 반점 형성을 방지하고 발광 다이오드5와 같은 기존의 공간적으로 비간섭성 소스에서 생성된 것과 유사한 고품질 이미지를 생성할 수 있습니다. RL의 다른 잠재적인 응용 분야는 디스플레이 조명6, 문서 인코딩7, 바이오 이미징4 종양 탐지8 또는 감지9에서 찾을 수 있습니다. 고체 염료 레이저는 독성 및 복잡한 염료 레이저에 대한 가시광선의 대안으로 오랫동안 예견되어 왔으며 통합 포토닉스10에 잠재적으로 응용할 수 있는 고효율 조정 가능 레이저로 이어졌습니다. 저렴하고 유연한 랜덤 레이저는 표면 마찰, 생물학적 살아있는 세포 사용, 레이저 제거 또는 나노 막대 도입, 다결정 박막17, 네마틱 도입 등 다양한 방법으로 염료 도핑 유기 필름에 무작위 산란을 도입하여 제안되었습니다. 액정18, 나노시트19, 염료 응집체20, 유전체21, ZnO22 또는 금속 나노입자23. 그러나 이러한 모든 경우에 산란 매체는 제어할 수 없으며 결과적으로 산란 입자와 나노와이어가 응집되어 예측할 수 없는 유효 산란 크기 및 분포가 발생합니다. 현재까지 결정론적 장애가 있는 2차원(2D) 평면 도파관 무작위 레이저 발사는 테라헤르츠 범위24,25,26 및 중간 적외선 영역27,28을 포함한 비가시 파장에 대해 입증되었습니다. 최근 우리는 e-빔 리소그래피를 사용하여 얇은 폴리머 층에 마이크로미터 이하의 홈이 조각된 결정론적 장애 기반의 1차원 전고체 랜덤 레이저를 보고했습니다. 이 편지에서 우리는 이 방법을 확장하여 결정론적으로 무질서한 공기 구멍 분포를 갖는 염료 도핑 폴리머 필름의 2D 랜덤 레이저를 설계했습니다. 이러한 2D 잘 제어된 구조는 샘플 광학 손상으로 인한 제한 없이 무작위 레이저 발사의 새로운 측면을 조사할 수 있는 가능성을 제공합니다. 여기서는 균일한 광학 펌핑 하에서 날카로운 레이저 피크를 관찰합니다. 우리는 방출 스펙트럼이 국소 펌핑에 어떻게 민감한지를 보여줌으로써 레이저 발사가 다중 산란으로 인한 결과임을 확인합니다. 레이저 임계값은 산란체 밀도와 펌프 영역의 함수로 측정됩니다. 최적의 밀도는 레이징 임계값이 최소이고 산란이 가장 강한 곳에서 발견되는 반면, 공간 일관성의 제어는 단순히 빔 직경을 변경하여 달성됩니다. 마지막으로, 우리는 펌프 면적뿐만 아니라 산란체 밀도를 변경하여 방출 스펙트럼을 조정할 수 있음을 보여줍니다. 랜덤 레이저 염료 도핑 폴리머 필름의 장애를 조정하면 2D 랜덤 레이저의 모달 시그니처, 공간 상관의 역할30, 국지적 섭동 및 예외점의 영향 및 레이저 특성 제어를 포함하여 비 에르미트 광학을 조사할 수 있는 새로운 관점이 열립니다. 수십 나노미터의 넓은 스펙트럼을 갖는 비간섭성 광은 광간섭 단층촬영(Optical Coherence Tomography)과 같은 낮은 간섭성 간섭계를 기반으로 하는 응용 분야에 사용될 수 있습니다.
250 \(\upmu\)m), modal density becomes large and lasing peaks strongly overlap spectrally (brown plot in Fig. 3a). On further increasing pump area, the emission spectrum appears quasi-continuous because of high lasing mode density. This shows the ability to control the spatial coherence of this device by simply varying the beam diameter. Next, we investigate the dependence of the lasing threshold on pump area for a sample having FF = 0.17%. Laser threshold versus pump spot diameter is shown in Fig. 3b. The pump spot diameter, which varies between 120 and 1000 \(\upmu\)m, is directly measured by imaging the sample surface from the top. The laser threshold is measured by plotting the maximum of the emission spectrum as a function of pump intensity. For small pump diameter where emission spectra have discrete multiple lasing peaks (blue plot in Fig. 3a), we consider the intensity count of the highest peak, which is near the center of the emission spectra. For larger pump diameter, when mode overlap is strong (brown plot in Fig. 3a), the maximum of the global emission spectrum is considered. We find experimental data are well fitted by a power law, with an exponent \(-0.57\). This is consistent with values reported in the literature38. Power law dependence of the lasing threshold on pump area is attributed to the decrease in return probability of the scattered light in gain volume with decreasing pump size38,39. Interestingly, we also observe a spectral shift in the emission spectrum peak when varying pump area. For a given pump energy density, a larger pump area emits a red-shifted emission spectrum compared to the emission spectrum at a smaller pump area. Figure 3c shows the redshift of the emission spectrum with increasing pump area. A total shift of 7 nm is observed when the pump diameter is varied from 100 to 1000 \(\upmu\)m. We suggest a possible explanation for this observation. Out-of-plane scattering is the dominant loss mechanism in our system, since reabsorption by the DCM dye is negligible. Actually, this mechanism contributes to loss in two different ways, which must be balanced by gain40: (a) "Vertical loss" in the gain region, which is uniform on average and does not affect the nature of the modes; (b) "Leakage" beyond the gain region, where photons are lost and never return in the gain region. This local loss induces modal confinement, modal intensity redistribution, and frequency shift41. For large pumping area, the first loss mechanism dominates and is advantageously reduced by shifting to longer wavelengths, since out-of-plane vertical scattering decreases towards larger wavelengths. When pumping smaller area, leakage is naturally decreased by increasing scattering within the gain region. Increasing scattering is achieved by a shift towards smaller wavelengths (blueshift), where scattering is stronger./p>
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