高性能水下亞波長鈣鈦礦單模激光器研究取得新進展

近期，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中國科學院大學杭州高等研究院、華中科技大學合作，以激光器小型化為牽引，基于對鈣鈦礦增益機理的研究，實現了亞波長尺度的高性能鈣鈦礦水下單模激光。相關研究成果以Water-resistant subwavelength perovskite lasing from transparent silica-based nanocavity為題，發表在《先進材料》（Advanced Materials）上。

金屬鹵化物鈣鈦礦被認為是高性能微納激光器件理想的增益介質之一，在片上光子信息處理系統和未來集成光電子學等領域頗具應用潛力。當前，制備鈣鈦礦激光器的主流技術主要是采用溶液法。與之相比，熱蒸發技術更易實現精度可控的大面積生產，且已在商業化發光二極管中實現應用。然而，熱蒸發鈣鈦礦薄膜由于高缺陷性，在激光器方面較少被研究，故性能落后于其溶液處理的同類激光器。此外，鈣鈦礦激光器面臨的另一挑戰是對濕度較敏感，限制了鈣鈦礦基器件的商業應用，特別是關于鈣鈦礦激光器在水中的試驗工作鮮有報道。

該研究采用配體輔助的三源共蒸發策略，通過引入添加劑減緩結晶，實現了缺陷鈍化和限域調控，開發了高質量的鈣鈦礦薄膜增益介質。研究通過超快瞬態吸收光譜實驗證實，優化后的鈣鈦礦薄膜具有優異的載流子復合特性和增強的光增益性能。受到上述高增益的啟發，研究直接基于透明對稱的SiO₂薄片構造了簡單的對稱結構，實現了低閾值（13 μJ/cm²）的單模亞波長尺度（120 nm）熱蒸發鈣鈦礦激光，且可在水中保持穩定單模運行超20天，其長程相干長度（115.6 μm）和高線性偏振度（82%）進一步證實了該小型化激光器的優異性。這一緊湊而簡單的透明垂直腔結構及熱蒸發工藝的結合，有望為未來與硅光子學兼容的鈣鈦礦激光器提供簡單、穩健和可靠的大規模生產策略，為發展新型鈣鈦礦光電器件、提升相應性能，提供基礎物理前沿支撐。