近期,中國科學院上海光學精密機械研究所强場雷射物理國家重點實驗室與華中科技大學、深圳大學合作,以雷射小型化為牽引,基於新型增益介質發光原理與機制的探索,將室溫亞波長微納激光器件的尺寸推進到50 nm,相關工作發表於ACS Nano。
片上光子資訊處理系統對納米尺度上的優良相干小型化光源提出了迫切需求。然而,當接近亞波長或深亞波長尺度時,微型雷射器的最小尺寸和效能之間存在一個基本的平衡。為了克服這種權衡,本工作研發了一種雷射尺寸僅為~50nm的新型亞波長鈣鈦礦微納雷射器。准二維鈣鈦礦具有强的束縛電子-空穴對(激子)和一個天然的能級梯度,利於激子在最低能帶隙量子阱聚集,從而實現粒子數反轉。研究中首先使用飛秒瞬態吸收光譜揭示了鈣鈦礦薄膜增益介質的發光動力學機制,發現高達558cm-1的淨增益壽命約50ps,並分析了超快級聯能量傳輸和單線態及三線態激子等對增益的貢獻。受其優异增益特性的啟發,科研人員結合40 nm的增益介質,最終採用10 nm厚的紫外膠及SiO2基底構成的超簡“三明治”構造,在室溫下實現了雷射尺寸僅為50 nm的單模皮秒雷射發射,並且其線偏振度高達81%,雙光子及單光子激發閾值僅為~143μJ/cm2和10.5μJ/cm2。該雷射器在4.8×106個飛秒鐳射脈衝持續激發下,依舊表現出非常好的穩定性。特別是在亞波長尺度下,其品質因數高達1635,不僅在鈣鈦礦垂直腔面發射雷射器當中居於前列,也是在傳統全介質微納鐳射中難以想像的。
2018年,上海光機所的研究人員首次將鈣鈦礦微納雷射的尺寸發展到亞波長尺度(ACS Nano 2018,12,6,5923–5931),此次工作將此類雷射的尺寸進一步發展到深亞波長尺度,結合該工作中率先發展的簡單“三明治”結構,將有望推動鈣鈦礦雷射器的發展行程和片上集成小型化光源的應用。
該工作得到國家自然科學基金、中科院先導B類專項、上海市優秀學術/科技帶頭人計畫等項目的支持。
原文連結
准二維鈣鈦礦薄膜發光動力學及雷射特性
本文版權歸原作者所有,文章內容不代表平臺觀點或立場。如有關於文章內容、版權或其他問題請與我方聯系,我方將在核實情况後對相關內容做删除或保留處理!