Mid-infrared distributed-feedback lasing from black phosphorus under nanosecond excitation
本文展示了一种利用集成在硅光子光栅上的黑磷实现的室温可调谐中红外分布式反馈激光器，该激光器在纳秒激发下实现了低激射阈值，并为与硅光子学的异质集成提供了一个极具前景的平台。
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在红外光谱中间波段传播的光是观测不可见世界的强大工具。这一特定的光带位于人眼可见范围之外，能够轻易穿透大气层，并与分子的化学键产生强烈相互作用。正因如此，科学家和工程师长期以来一直致力于寻找可靠的此类光源，用于检测空气中的污染物、通过呼吸分析诊断疾病，或进行长距离无线数据通信。几十年来，生成这种光的设备一直难以操控。它们通常由复杂的不同晶体材料堆叠而成，必须以原子级的精度生长在一起。虽然这些传统激光器性能良好，但其严格的制造要求使其难以与驱动现代电子设备的硅芯片相结合。为了弥补这一差距，研究人员转向了一类新型材料：薄且柔性的原子片层，它们可以像贴纸一样从表面剥离并放置在几乎任何表面上，而无需完美匹配底层的晶体结构。
在这些片状材料中，黑磷已成为产生中红外光极具前景的候选材料。与许多只能在狭窄范围内工作的材料不同，黑磷可以通过改变其厚度来调节其发出的光色。然而，将这种材料转化为实用的激光器一直是一个挑战。先前的实验表明，黑磷可以产生激光，但前提是必须受到极短且强烈的能量脉冲冲击，这些脉冲持续时间仅为千万亿分之一秒。这些转瞬即逝的脉冲会创造出一种混乱且短命的激发粒子状态，难以维持。为了向实际应用型设备迈进，研究人员需要证明黑磷可以在更易于控制的条件下实现激光发射，具体而言，是使用持续时间长一千倍的脉冲，这更接近标准电子设备所能处理的水平。
蒙特利尔理工大学的一个研究团队现在已经成功演示了这一点。他们构建了一个激光器，其核心是一片直接放置在二氧化硅光栅上的黑磷薄片，该光栅表面刻有微小的脊状纹路。这个光栅充当了镜子的角色，将光限制在薄片内，迫使光在其中来回反射，直到积累足够的能量并以聚焦光束的形式逃逸。通过仔细对准黑磷的晶体结构与光栅的纹路，团队能够高效地引导光线。当他们使用持续时间为十亿分之一秒的激光脉冲照射该器件时，黑磷通过发射出一束中红外范围内的尖锐、窄波束作为响应。这种光的颜色并非固定不变；通过使用不同厚度的薄片，研究人员可以将输出波长调节在3.79至4.05微米之间，覆盖了传感应用的关键窗口。
这种新型激光器的性能令人印象深刻，尤其是在启动所需的能量方面。在室温下，该器件在仅0.25毫焦耳/平方厘米的泵浦能量下就开始产生激光。这是一个极低的阈值，表明该材料在能量转化为光方面具有极高的效率。当研究人员将器件冷却至110开尔文时，启动激光所需的能量下降了十倍，降至0.015毫焦耳/平方厘米。这种显著的提升表明，该材料产生光的能力在室温下受热量和粒子相互作用的限制，但在较冷的环境中表现异常出色。研究还揭示了黑磷薄片的厚度起着关键作用；较厚的薄片能更有效地捕捉光线，从而有助于降低达到激光状态所需的能量。
这项工作代表了开发紧凑型集成光源的重要进展。通过证明黑磷可以在纳秒级激发下产生激光，研究人员已使该材料更接近于实现电学操作的条件（即通过稳定的电流而非外部激光来驱动设备）。这些激光器能够直接集成到硅芯片上，而无需复杂的晶体生长过程，这为新一代传感器和通信工具的发展打开了大门。虽然目前的实验依赖于光学泵浦，但此处实现的低能量阈值表明，开发出完全电驱动版本的此类激光器是一个现实的可能性，有望将中红外传感技术的能力带入更广泛的日常技术领域。
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