近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與國(guó)科大杭州高等研究院和華中科技大學(xué)合作，以激光器小型化為牽引，基于對(duì)鈣鈦礦增益機(jī)理的研究，實(shí)現(xiàn)了亞波長(zhǎng)尺度的高性能鈣鈦礦水下單模激光。相關(guān)成果以“Water-resistant subwavelength perovskite lasing from transparent silica-based nanocavity”為題發(fā)表于Advanced Materials。

金屬鹵化物鈣鈦礦被認(rèn)為是高性能微納激光器件理想的增益介質(zhì)之一，在片上光子信息處理系統(tǒng)和未來(lái)集成光電子學(xué)等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用潛力。當(dāng)前制備鈣鈦礦激光器的主流技術(shù)主要是采用溶液法，與之相比，熱蒸發(fā)技術(shù)更易實(shí)現(xiàn)精度可控的大面積生產(chǎn)，已在商業(yè)化發(fā)光二極管中實(shí)現(xiàn)成功應(yīng)用。然而，熱蒸發(fā)鈣鈦礦薄膜由于高缺陷性，在激光器方面很少被研究，其性能落后于其溶液處理的同類(lèi)激光器。此外，鈣鈦礦激光器面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)是對(duì)濕度較敏感，限制了鈣鈦礦基器件的商業(yè)應(yīng)用，特別是鈣鈦礦激光器在水中的試驗(yàn)工作仍鮮有報(bào)道。

研究人員采用配體輔助的三源共蒸發(fā)策略，通過(guò)引入添加劑減緩結(jié)晶，實(shí)現(xiàn)了缺陷鈍化和限域調(diào)控，成功開(kāi)發(fā)了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜增益介質(zhì)。通過(guò)超快瞬態(tài)吸收光譜實(shí)驗(yàn)證實(shí)優(yōu)化后的鈣鈦礦薄膜有著優(yōu)異的載流子復(fù)合特性和增強(qiáng)的光增益性能。受其高增益啟發(fā)，研究人員直接基于透明對(duì)稱(chēng)的SiO₂薄片構(gòu)造了簡(jiǎn)單的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了低閾值（13 μJ/cm²）的單模亞波長(zhǎng)尺度（120 nm）熱蒸發(fā)鈣鈦礦激光，且可以在水中保持穩(wěn)定單模運(yùn)行超20天，其長(zhǎng)程相干長(zhǎng)度（115.6 μm）和高線(xiàn)性偏振度（82%）進(jìn)一步證實(shí)了該小型化激光器的優(yōu)異性。該緊湊而簡(jiǎn)單的透明垂直腔結(jié)構(gòu)及熱蒸發(fā)工藝的結(jié)合將有望為未來(lái)與硅光子學(xué)兼容的鈣鈦礦激光器提供一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)健和可靠的大規(guī)模生產(chǎn)策略，為發(fā)展新型鈣鈦礦光電器件及其相應(yīng)性能提升提供重要的基礎(chǔ)物理前沿支撐。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究試點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目的資助和支持。

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圖1 （a）三源共蒸示意圖；（b）鈣鈦礦熒光光譜；（c）熒光壽命；（d-f）溫度依賴(lài)的熒光光譜的發(fā)光強(qiáng)度、半高寬和峰位置圖；

圖2（a）-（f）增益動(dòng)力學(xué)機(jī)理；（g）-（i）復(fù)合動(dòng)力學(xué)機(jī)理

圖3 （a）亞波長(zhǎng)垂直腔激光輸出光譜；（b）激光輸入輸出圖；（c）激光干涉圖；（d）激光輸出光斑圖；（e）水下激光示意圖；（f）水下激光輸出光譜；（g）20天水下激光穩(wěn)定輸出