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Ultralow-threshold, continuous-wave upconverting lasing from subwavelength plasmons

激光阈值 等离子体子 材料科学 光电子学 纳米柱 激光器 光子学 连续波 有源激光介质 光学 波长 纳米光子学 物理 纳米技术 纳米结构 激光功率缩放
作者
Ángel Fernández-Bravo,Danqing Wang,Edward S. Barnard,Ayelet Teitelboim,Cheryl Tajon,Jun Guan,George C. Schatz,Bruce E. Cohen,Emory M. Chan,P. James Schuck,Teri W. Odom
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:18 (11): 1172-1176 被引量:210
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0482-5
摘要

Miniaturized lasers are an emerging platform for generating coherent light for quantum photonics, in vivo cellular imaging, solid-state lighting and fast three-dimensional sensing in smartphones1-3. Continuous-wave lasing at room temperature is critical for integration with opto-electronic devices and optimal modulation of optical interactions4,5. Plasmonic nanocavities integrated with gain can generate coherent light at subwavelength scales6-9, beyond the diffraction limit that constrains mode volumes in dielectric cavities such as semiconducting nanowires10,11. However, insufficient gain with respect to losses and thermal instabilities in nanocavities has limited all nanoscale lasers to pulsed pump sources and/or low-temperature operation6-9,12-15. Here, we show continuous-wave upconverting lasing at room temperature with record-low thresholds and high photostability from subwavelength plasmons. We achieve selective, single-mode lasing from Yb3+/Er3+-co-doped upconverting nanoparticles conformally coated on Ag nanopillar arrays that support a single, sharp lattice plasmon cavity mode and greater than wavelength λ/20 field confinement in the vertical dimension. The intense electromagnetic near-fields localized in the vicinity of the nanopillars result in a threshold of 70 W cm-2, orders of magnitude lower than other small lasers. Our plasmon-nanoarray upconverting lasers provide directional, ultra-stable output at visible frequencies under near-infrared pumping, even after six hours of constant operation, which offers prospects in previously unrealizable applications of coherent nanoscale light.
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