上海光機(jī)所成功研制最小尺寸的鈣鈦礦納米激光器

 

 

　　圖1 立方體鈣鈦礦光學(xué)性能表征。a)TEM形貌圖。b)晶體結(jié)構(gòu)及微腔示意圖。c) XRD譜圖。d)吸收譜和熒光譜。

 

 

　　圖2 雙光子泵浦頻率上轉(zhuǎn)換立方體微腔激射。a)單模激光。b)激射閾值。c)光譜寬度。d)輸出時(shí)域脈沖。

 

 

圖3 閾值上下瞬態(tài)吸收譜。a)閾值下。b)閾值上。
 

　　在該項(xiàng)工作中，科研人員在三維尺寸均小于發(fā)射波長(zhǎng)的單個(gè)鈣鈦礦納米立方體結(jié)構(gòu)中首次實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)、低閾值、窄帶寬、溫度穩(wěn)定性好的皮秒脈寬單模激光輸出。這是目前已知的最小尺寸的鈣鈦礦納米激光器，也是基于傳統(tǒng)諧振腔結(jié)構(gòu)的最小激光器。該研究成果將推動(dòng)微型激光器進(jìn)一步向小型化和短脈沖發(fā)展。
 

　　納米尺度激光器在光電集成、高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、片上交互、薄膜顯示、高分辨率生物成像和傳感等多個(gè)領(lǐng)域有巨大應(yīng)用前景，但將光場(chǎng)限制在亞波長(zhǎng)尺度的傳統(tǒng)諧振腔構(gòu)型的激光器一直以來(lái)都鮮有報(bào)道。本次研究中，科研人員基于改良的低溫溶液方法，成功制備出了高品質(zhì)三維亞波長(zhǎng)尺度的鈣鈦礦立方體納米結(jié)構(gòu)，其端面平滑、結(jié)構(gòu)規(guī)則的特性(圖1)，使其本身既可以作為激光增益介質(zhì)，又可以在界面處實(shí)現(xiàn)高反效果最終形成理想的Fabry-Perot共振腔。利用顯微光學(xué)系統(tǒng)對(duì)單個(gè)立方體諧振腔進(jìn)行研究，在室溫條件下得到了高增益、低閾值、窄帶寬的頻率上轉(zhuǎn)換皮秒單模激光輸出(圖2)，整個(gè)激光器的體積僅為~0.49λ3。利用上海超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)裝置(SULF)前端發(fā)展的超快泵浦探測(cè)平臺(tái)，對(duì)該納米激光器的激光增益機(jī)理進(jìn)行了深入分析(圖3)，闡明其內(nèi)在物理機(jī)制；同時(shí)，其溫度依賴(lài)發(fā)光特性的研究表明，該納米激光器的發(fā)光峰對(duì)溫度不敏感，具有非常良好的溫度穩(wěn)定性。
 

　　該項(xiàng)研究得到了中科院B類(lèi)先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃-政府間國(guó)際科技創(chuàng)新合作重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)、中科院“百人計(jì)劃”、國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。
 

　　(原文標(biāo)題：上海光機(jī)所等在三維亞波長(zhǎng)空間實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦納米激光輸出)