片上光子信息處理系統(tǒng)對納米尺度上的優(yōu)良相干小型化光源提出了迫切需求。然而，當(dāng)接近亞波長或深亞波長尺度時，微型激光器的最小尺寸和性能之間存在一個基本的平衡。為了克服這種權(quán)衡，該工作研發(fā)了一種激光尺寸僅為~50 nm的新型亞波長鈣鈦礦微納激光器。準(zhǔn)二維鈣鈦礦具有強的束縛電子-空穴對（激子）和一個天然的能級梯度，利于激子在最低能帶隙量子阱聚集，從而實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

研究使用飛秒瞬態(tài)吸收光譜揭示了鈣鈦礦薄膜增益介質(zhì)的發(fā)光動力學(xué)機制，發(fā)現(xiàn)高達(dá)558 cm-1的凈增益壽命約50 ps，并分析了超快級聯(lián)能量傳輸和單線態(tài)及三線態(tài)激子等對增益的貢獻(xiàn)。受其優(yōu)異增益特性的啟發(fā)，科研人員結(jié)合40 nm的增益介質(zhì)，采用10 nm厚的紫外膠及SiO2基底構(gòu)成的超簡“三明治”構(gòu)造，在室溫下實現(xiàn)了激光尺寸僅為50 nm的單模皮秒激光發(fā)射，且其線偏振度高達(dá)81%，雙光子及單光子激發(fā)閾值僅為~143 μJ/cm2和10.5 μJ/cm2。該激光器在4.8×106個飛秒激光脈沖持續(xù)激發(fā)下，仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。特別是在亞波長尺度下，其品質(zhì)因子高達(dá)1635，在鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器當(dāng)中居于前列，并在傳統(tǒng)全介質(zhì)微納激光中表現(xiàn)優(yōu)異。

 

2018年，上海光機所首次將鈣鈦礦微納激光的尺寸發(fā)展到亞波長尺度（ACS Nano 2018, 12, 6, 5923–5931），此次工作將此類激光的尺寸進(jìn)一步發(fā)展到深亞波長尺度，結(jié)合該研究中率先發(fā)展的簡單“三明治”結(jié)構(gòu)，有望推動鈣鈦礦激光器的發(fā)展進(jìn)程和片上集成小型化光源的應(yīng)用。

 

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（B類）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人計劃等的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10647