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科学家利用光子晶体纳米腔制备出蓝色激光

 

瑞士洛桑联邦理工学院的科学家们制备出了可用于修复脑功能,甚至创造出新脑细胞的蓝色激光。蓝色激光的波长在400-480nm之间,肉眼看来呈现蓝色或紫色。对于蓝光光碟,短波长(405nm)能使激光的“点”变得非常小,与红光DVD相比,可读写更多更密集的信息。瑞士洛桑联邦理工学院的相关研究开发出了一种在室温环境下高质量的,甚至能进入细胞内部的蓝光纳米束。整套系统沉积在硅片上,使其具有生物兼容性和成本效益。这部分工作发表在《纳米快报》上。

瑞士洛桑联邦理工学院的尼古拉斯•格朗得让课题组用一种基于光控器件的光子晶体纳米腔制备出了蓝色激光。这些微小的器件能将光限制在镜子之间,使其在狭小的空间内维持几分之一秒。该研究建立的纳米腔——可以看作是在硅片上用化学的方法生长一系列的氮化镓(GaN)微孔,GaN有两个能带:一个含有丰富的电子,另外一个含有丰富的电子空穴。值得注意的是,GaN被应用在2014年获得诺贝尔奖的蓝光LED上。

在室温环境下,电子被注入半导体中,与电子空穴结合,以光子的形式释放出的能量被束缚在纳米腔中,然后这些光子与持续注入的电子相互作用,以自持的方式产生更多的光子,最后大量的光子以一束蓝色激光的形式发射出来。

这种激光被看作是在“一维光子晶体纳米腔”中产生的。通过测试其产生共振的锐利程度可以对激光质量进行评估,也就是通常所说的品质因数(Q值),它描述的是纳米腔能延时存储光的数量;因此,高Q值意味着能量损失小。格朗得让的团队制造出了一种具有极高Q值且相当节能的短波长激光系统。

由于这种激光是用生物相容型材料制造的,因此它也可以用在被称为“光遗传学”的尖端领域中。这种条件下,激光被用在控制细胞内的基因开启和关闭,可能在全球范围内导致譬如脑功能等生物变化。格朗得让制备出的短波长蓝色激光,在室温条件下结合能量的效率,为全新一代的生物工具铺平了道路。此外,它为光和物质在纳米尺度的基础研究提供了宝贵的工具,比如光机械领域的探索。

“这是在基础科学和应用技术方面取得的双重突破”,格朗得让说,“我们的纳米腔设计简单,成本低廉,使激光在光机械应用中非常有吸引力,它集成度高,功耗低,具有针状的生物传感器。现在,激光是通过‘光泵浦’导致电子-空穴对重组,最终获得光子。下一步我们将制作出一种电子--空穴对是由电流流过激光而产生的器件。”

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