上海光机所等在三维亚波长空间实现钙钛矿纳米激光输出

中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室与重庆大学合作，在微纳激光器研究领域取得新进展。相关研究成果以Robust Subwavelength Single-Mode Perovskite Nanocuboid Laser 为题，在国际期刊ACS Nano 上发表[ACS Nano 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b02143]。在该项工作中，科研人员在三维尺寸均小于发射波长的单个钙钛矿纳米立方体结构中首次实现了高品质、低阈值、窄带宽、温度稳定性好的皮秒脉宽单模激光输出。这是目前已知的最小尺寸的钙钛矿纳米激光器，也是基于传统谐振腔结构的最小激光器。该研究成果将推动微型激光器进一步向小型化和短脉冲发展。

纳米尺度激光器在光电集成、高密度数据存储、片上交互、薄膜显示、高分辨率生物成像和传感等多个领域有巨大应用前景，但将光场限制在亚波长尺度的传统谐振腔构型的激光器一直以来都鲜有报道。本次研究中，科研人员基于改良的低温溶液方法，成功制备出了高品质三维亚波长尺度的钙钛矿立方体纳米结构，其端面平滑、结构规则的特性（图1），使其本身既可以作为激光增益介质，又可以在界面处实现高反效果最终形成理想的Fabry-Perot共振腔。利用显微光学系统对单个立方体谐振腔进行研究，在室温条件下得到了高增益、低阈值、窄带宽的频率上转换皮秒单模激光输出（图2），整个激光器的体积仅为~0.49λ3。利用上海超强超短激光实验装置（SULF）前端发展的超快泵浦探测平台，对该纳米激光器的激光增益机理进行了深入分析（图3），阐明其内在物理机制；同时，其温度依赖发光特性的研究表明，该纳米激光器的发光峰对温度不敏感，具有非常良好的温度稳定性。

该项研究得到了中科院B类先导专项、国家重点研发计划-政府间国际科技创新合作重点专项、中科院“百人计划”、国家自然科学基金等的支持。

图1 立方体钙钛矿光学性能表征。a）TEM形貌图。b）晶体结构及微腔示意图。c) XRD谱图。d）吸收谱和荧光谱。

图2 双光子泵浦频率上转换立方体微腔激射。a）单模激光。b)激射阈值。c）光谱宽度。d）输出时域脉冲。

图3 阈值上下瞬态吸收谱。a）阈值下。b）阈值上。