近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與國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，基于對鈣鈦礦增益機理的研究，實現(xiàn)了亞波長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激光器。此外，鈣鈦礦激光器面臨的另一個挑戰(zhàn)是對濕度較敏感，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工作仍鮮有報道。

研究人員采用配體輔助的三源共蒸發(fā)策略，通過引入添加劑減緩結(jié)晶，實現(xiàn)了缺陷鈍化和限域調(diào)控，成功開發(fā)了高質(zhì)量的鈣鈦礦薄膜增益介質(zhì)。通過超快瞬態(tài)吸收光譜實驗證實優(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稱的SiO₂薄片構(gòu)造了簡單的對稱結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了低閾值（13 μJ/cm²）的單模亞波長尺度（120 nm）熱蒸發(fā)鈣鈦礦激光，且可以在水中保持穩(wěn)定單模運行超20天，其長程相干長度（115.6 μm）和高線性偏振度（82%）進一步證實了該小型化激光器的優(yōu)異性。該緊湊而簡單的透明垂直腔結(jié)構(gòu)及熱蒸發(fā)工藝的結(jié)合將有望為未來與硅光子學(xué)兼容的鈣鈦礦激光器提供一個簡單、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。

該研究得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市基礎(chǔ)研究試點計劃項目的資助和支持。

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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）溫度依賴的熒光光譜的發(fā)光強度、半高寬和峰位置圖；

圖2（a）-（f）增益動力學(xué)機理；（g）-（i）復(fù)合動力學(xué)機理

圖3 （a）亞波長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