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近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與華中科技大學(xué)、深圳大學(xué)合作，以激光小型化為牽引，基于新型增益介質(zhì)發(fā)光原理與機(jī)制的探索，將室溫亞波長(zhǎng)微納激光器件的尺寸推進(jìn)到50 nm，相關(guān)研究成果發(fā)表在ACS Nano上。

片上光子信息處理系統(tǒng)對(duì)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(zhǎng)或深亞波長(zhǎng)尺度時(shí)，微型激光器的最小尺寸和性能之間存在一個(gè)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~50nm的新型亞波長(zhǎng)鈣鈦礦微納激光器。準(zhǔn)二維鈣鈦礦具有強(qiáng)的束縛電子-空穴對(duì)（激子）和一個(gè)天然的能級(jí)梯度，利于激子在最低能帶隙量子阱聚集，從而實(shí)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(dòng)力學(xué)機(jī)制，發(fā)現(xiàn)高達(dá)558cm-1的凈增益壽命約50ps，并分析了超快級(jí)聯(lián)能量傳輸和單線態(tài)及三線態(tài)激子等對(duì)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(jiǎn)“三明治”構(gòu)造，在室溫下實(shí)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~143μJ/cm2和10.5μJ/cm2。該激光器在4.8×106個(gè)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(zhǎng)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(jī)所首次將鈣鈦礦微納激光的尺寸發(fā)展到亞波長(zhǎng)尺度（ACS Nano2018, 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(zhǎng)尺度，結(jié)合該研究中率先發(fā)展的簡(jiǎn)單“三明治”結(jié)構(gòu)，有望推動(dòng)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(guó)家自然科學(xué)基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（B類）、上海市優(yōu)秀學(xué)術(shù)/技術(shù)帶頭人計(jì)劃等的支持。

準(zhǔn)二維鈣鈦礦薄膜發(fā)光動(dòng)力學(xué)及激光特性