近日,中國科學院上海光學精密機械研究所與南京航空航天大學、中科院半導體研究所開展合作,成功制備出高品質、低閾值的單晶全無機鈣鈦礦CsPbBr3微腔,并獲得高溫穩定的上轉換單模激射。該研究為微腔在光學片上集成提供了新思路,相關研究成果已發表在ACS Photonics 期刊上。
窄線寬、超高品質的單模納米激光器在物理和工程方面有著諸多應用潛能,如片上光學集成、相干探測以及量子信息處理等。而全無機鈣鈦礦CsPbBr3半導體材料作為一種高增益材料受到了廣泛的關注與研究。但是,熱穩定性差一直是限制該材料的最大問題。目前,絕大多數鈣鈦礦微腔只能在室溫甚至是低溫下才能獲得激射,這極大限制了高功率集成光電子設備以及鈣鈦礦電泵浦激光器的應用。因此,提升鈣鈦礦微腔的熱穩定性,從而獲得穩定的高品質因子的單模激光輸出是一個亟待解決的問題。
研究團隊制備的單晶全無機鈣鈦礦CsPbBr3微腔,首次將鈣鈦礦微腔的工作溫度提升到440K,且在440K溫度下,仍可以獲得540nm上轉換單模激射。該激射能在1.4倍閾值功率泵浦下以相對強度1維持60鐘(7.2×104 泵浦激勵循環)。此外,在室溫下,通過800 nm的雙光子泵浦還可以獲得品質因子高達1.01×104的單模激射輸出。研究團隊還利用3D立體仿真,解析了立方體微腔中的復雜模式,計算得出在立方微腔中存在多套模式。結果顯示,隨著微腔體積的減小,不僅模式的套數減少,模式數也減少。最終當立方體微腔的尺寸在1.7mm時,可獲得單模激光輸出。相關成果得到同行評審的一致認可。
該研究由國家自然科學基金委員會(61675219, 61875256, 61475173, 11474297, 11674343)、中科院青年創新促進會以及上海市科學技術委員會資助完成(No. 17ZR1444000)。
圖:鈣鈦礦CsPbBr3立方體微腔中的高溫特性。
