近日，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室與華中科技大學、深圳大學合作，以激光小型化為牽引，基于新型增益介質(zhì)發(fā)光原理與機制的探索，將室溫亞波長微納激光器件的尺寸推進到50nm，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50nm的新型亞波長鈣鈦礦微納激光器。

■準二維鈣鈦礦薄膜發(fā)光動力學及激光特性

準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)光動力學機制，發(fā)現(xiàn)高達558cm^-1的凈增益壽命約50ps，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。

受其優(yōu)異增益特性的啟發(fā)，科研人員結(jié)合40nm的增益介質(zhì)，采用10nm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50nm的單模皮秒激光發(fā)射，且其線偏振度高達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1635，在鈣鈦礦垂直腔面發(fā)射激光器當中居于前列，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，此次工作將此類激光的尺寸進一步發(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)展進程和片上集成小型化光源的應(yīng)用。