复旦大学Nano Lett.│钙钛矿微聚焦光学微腔的高品质因子单模激光研究

英文原题：High Q-Factor Single-Mode Lasing in Inorganic Perovskite Microcavities with Microfocusing Field Confinement

通讯作者：王俊、吴翔、赵海斌（复旦大学）

作者：Shuangshuang Tian (田爽爽), Qi Wang (汪琪), Shuang Liang, Qi Han, Debao Zhang, Zhongmin Huang, Jiqiang Ning, Shiliang Mei, Wei Xie, Haibin Zhao (赵海斌)*, Xiang Wu (吴翔)*, and Jun Wang (王俊)*

高品质因子（Q）微纳激光器作为光源在集成光子器件、光电子器件和光通信应用中起着重要的作用。其中Q因子和Purcell因子（F_p）是决定激光器单色性和辐射速率的两个关键参数。通过减小微腔的尺寸和维度，可以降低光场的模式体积，进而提高激光的辐射速率（即F_p）。然而，当模式体积减小、F_p增加时，体系的Q因子则会急剧降低，如何在微米尺度同时提高激光的Q因子和辐射速率仍然是一个挑战。为了解决这一挑战，具有光学聚焦约束的微结构被应用到微型激光器中。通过制备或集成微透镜可限制光场，有助于抑制衍射和横向漂移所引起的光学损耗，从而大幅提高激光的Q因子和辐射速率。

图1. 零维钙钛矿微腔的示意图和特征光谱

基于这一思路，复旦大学光科学与工程系王俊课题组与合作者团队制备了具有微聚焦功能的零维钙钛矿光学微腔，通过嵌入式微透镜三维调制了光场，成功实现了微米尺度上的高品质因子单模激光，以及线性和非线性（双光子）光泵浦的激光发射。实验上取得了Q因子为16700、偏振度为99.6%、Purcell因子为11.40的高性能单模激光发射，超过了当前大多数钙钛矿微腔激光的表现。这一成果在光芯片的集成光源领域具有重要意义，解决了提升激光发射速率与光场局域化之间的协调问题。

研究团队将微透镜阵列和CsPbBr₃钙钛矿单晶薄膜集成嵌入法布里-珀罗光学微腔中，实现了横向和纵向的腔内光场约束。这种微聚焦约束可以有效地在腔内3.66 μm³的体积内形成很强的局域电场，并引起能量-动量色散和空间电磁场分布的离散化，增强光与物质相互作用以及非线性光学现象。

图2. 零维钙钛矿微腔的光场调制。（a）角分辨荧光光谱，呈现分立化的能级；（b）实空间荧光成像和归一化荧光光谱，对应与a图中分立化的能级。

研究团队使用低重复频率（LF：400 nm，1 kHz）、高重复频率（HF：450 nm，80 MHz）飞秒脉冲泵浦以及双光子泵浦（TP：800 nm，1 kHz）这三种激发手段，成功展示了零维微腔中的线性和非线性单模激光发射。实验中表征了不同激发条件下的激光性能，包括线宽（HF：0.14 meV，TP：0.49 meV）、偏振度（HF：99.6%，TP：98.1%）、阈值（HF：61 μJ cm^-2，TP：1.65 mJ cm^-2。

图3. 零维钙钛矿微腔中高Q、高偏振单模激光的实验表征

研究团队未来将继续优化微透镜的设计，进一步提高Q因子、减小模式体积以及降低激光阈值，这将为实现高性能的片上微激光器、低阈值连续波泵浦激光器和电泵浦微激光器提供新的途径。

上述研究工作发表于国际学术期刊Nano Letters 上。复旦大学光科学与工程系王俊副研究员、吴翔教授和赵海斌教授为论文通讯作者，研究生田爽爽和汪琪为论文共同第一作者。研究工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、上海市科委扬帆项目等基金的支持。

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High Q-Factor Single-Mode Lasing in Inorganic Perovskite Microcavities with Microfocusing Field Confinement

Shuangshuang Tian, Qi Wang, Shuang Liang, Qi Han, Debao Zhang, Zhongmin Huang, Jiqiang Ning, Shiliang Mei, Wei Xie, Haibin Zhao*, Xiang Wu*, and Jun Wang*

Nano Lett. 2024, ASAP

Publication Date: January 16, 2024

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04797 

© 2024 American Chemical Society

（本稿件来自ACS Publications）