雷射與投影新技術－石墨烯面射型雷射

110年02月05日

【本篇報導由光電工程研究所 李亞儒教授研究團隊提供】 　　石墨烯量子點（graphene quantum dot, GQD）是一種新穎光學增益材料，具高成本效益、優異光電特性，以及易於溶液合成等等優點。然而，關於GQD雷射的相關研究，迄今卻鮮少報導。本研究設計由多層週期性氧化鉭/氧化碳(Ta2O5 / SiO2) 介電層布拉格反射鏡所組成的垂直光學共振腔，結合微波輔助化學合成出GQD增益材料，在室溫環境以及綠色頻譜中(λ ~ 550 nm)光激發出穩定面射型雷射光輸出。我們所開發之多層週期性DBR不僅與GQD在光學頻譜上具有高度重疊性，並同時在紫外光波段具有高透射性，能讓紫外雷射光源(pumping laser)透過DBR入射至GQD，進一步產生誘發輻射現象。本研究驗證GQD確實能作為光學增益材料，並能成功產生垂直面射型雷射光輸出，也將GQD朝寬色域雷射顯示與投影器等重要應用，邁出重要一步。    　　面射型雷射是一種獨特的光源，由於其具有表面發射，靈活封裝能力、良好的光束質量以及低發散度等特性，可提供廣泛應用於3D感測、高速數據通信和雷射顯示等技術。另一方面，由單層或寡層石墨核與外圍官能團連接組成的石墨烯量子點(GQD)，由於其獨特的電子和光學特性，以及在光電子學中的潛在應用，近年來備受關注。GQD的重要特徵之一是當石墨烯尺寸減小至奈米等級，它會從零帶隙半導體轉變為帶隙半導體，使GQD成為最小可能作為雷射增益材料的選項之一。與傳統的半導體量子點相比，GQD在溶劑中有良好溶解性，加上它無毒和簡單合成方法，使得GQD成為製造成本低、效率高且可使用溶液加工作為雷射增益介質。然而實務上，製作具有高效率assembling GQD的難度很大，再加上缺少光反饋所需的高質量諧共振腔極體，大大地限制了GQD雷射的實現。而採用GQD作為雷射增益介質的實現極為關鍵，因為這直接證明在GQD中，不僅可以在基態和激發態之間產生居量反轉 (population inversion)，同時也可以提供足夠的光學增益以進行光放大來產生雷射光輸出。基於此，我們與華盛頓大學電機系成功開發了在室溫下可操作之石墨烯量子點面射型雷射(GQD-VCSEL)。利用微波輔助水熱法合成sp2鍵合碳原子(C=C) 和表面鈍化官能團組成的GQD，並通過將GQD分散在由Ta2O5/SiO2形成的垂直共振腔中實現了GQD-VCSEL，如圖1(a)所示。 圖1：本實驗室與美國華盛頓大學開發之石墨烯量子點面射型雷射相關之光學特性分析。 　　我們藉由E-gun蒸鍍機成功地堆疊成長Ta2O5/SiO2 DBR腔體，並實現在室溫下光激發操作GQD-VCSEL為多模態輸出，並且具有穩定的綠色色域輸出 [圖1(b)]。在< 32 μJ的低激發能量下，由於引入了DBR 共振腔，GQD的PL光譜主要由DBR共振腔的模態所控制與修正。隨著激發能量的增加，出現與DBR腔的共振模式相關的幾個不同的雷射峰值，並伴隨著明顯的FWHM半高寬變窄。 GQD-VCSEL主要發射光譜落在 λ = 500 – 600 nm，並在λ = 550 nm處具有明顯的峰值。雷射峰值可解析為兩個高斯峰，分別為λ1 = 548.4 nm（FWHM ≈ 1.1 nm）和λ2 = 549.3 nm（FWHM ≈ 0.7 nm），分別對應品質因子(quality factor) Q = 507.8和Q = 798.4，如圖1(b)插圖所示。圖1(c)繪製歸一化雷射峰值與激發能量的函數關係圖（頂部，左圖），並繪製了在245 μJ激發能量下GQD-VCSEL代表性雷射光譜，以及所對應理論之反射光頻譜（底部，左側面板）。隨著激發能量增加，輸出雷射光波長幾乎保持不變 (如圖1(c)中紅色柱狀直線所示)。我們將觀察到的激光模式標記為m1-m10，並將其相應的積分PL強度與激發能量的關係繪製在圖1(c)的右側圖中。m1-m10的雷射模態都具有近似〜36 μJ激發臨界閾值。據我們所知，我們是第一個透過光激發 (脈衝持續時間為5 ns），成功製作並展現GQD-VCSEL特性的研究團隊，石墨烯量子點面射型雷射相關的研究成果，也已發表在ACS Photonics 6 (11), 2894 , 2019。