上海光机所钙钛矿微腔的高品质制备及单模激光特性研究获进展

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室研究员张龙、副研究员董红星领衔的微结构光物理研究小组，在光学谐振腔研究领域取得进展，相关研究成果以Single-Mode Lasers Based on Cesium Lead Halide Perovskite Sub-Micron Spheres为题，发表在ACS Nano上。科研人员在单个微球三维结构谐振腔中首次实现了高品质、低阈值、窄带宽的单模激光输出，并且其激射范围可成功覆盖整个可见光区，研究成果将推动该研究领域的进一步进展。

光学微腔是指至少在一个维度尺寸上处于波长量级的光学谐振腔，光场在其中可以形成一系列的驻波，从而实现对光的有效调控，在低阈值激光器、腔量子电动力学、生物探测和高性能滤波器等领域具有广泛应用。纳米激光器作为光学微腔的重大应用之一，在光电集成、光子计算机、量子信息、集成量子芯片等领域具有应用前景，成为近几十年来国际学术界研究的焦点之一。然而，实际研究过程中，纳米激光器激光输出的单色性一直很差，并且不同于传统的激光系统，在纳米尺度上对激光进行单一频率模式构建非常困难，尤其是利用减小微腔尺寸实现单模激光输出，面临着无法避免的光损耗过大的问题，对微腔品质和材料具有极其高的要求，目前为止微纳光学谐振腔通过尺寸减小实现单模激光输出鲜有报道。

在该项研究中，科研人员基于改进的气相传输冷凝技术，成功制备出了高品质亚微米尺度三维球形钙钛矿谐振腔，球形微腔表面光滑、结构规则、尺寸可控，基于显微荧光拉曼光谱系统对单个谐振腔进行研究，得到了高品质、低阈值、窄带宽的单模激光输出。与同类微型激光器相比，其各项性能（品质因子、线宽、阈值）均处于领先地位，尤其在如此小的微腔模式体积下，单模激光品质因子优于目前报道的自然合成的微纳结构光学谐振腔。更重要的是，研究人员基于钙钛矿的宽带隙可调特性，通过调节卤素配比首次实现了全可见光谱的单模激光可控输出，从理论和实验上对微腔调谐特性进行了分析，阐明其内在物理机制，对于多色纳米激光器的研究以及在激光显示、照明等领域的应用具有重要意义。

该项研究得到了国家自然科学基金、上海市青年科技启明星A类计划以及中科院青年创新促进会等的支持。

图1. 球形微腔激射特性。(a) 谐振腔结构示意图，(b)单模激光输出，(c)低激射阈值，(d)单模激光相干性。

　　图2. 宽带可调谐单模激光可控输出