我校李国辉团队联合北京大学/清华大学/瑞典隆德大学在《Advanced Functional Materials》合作发表最新研究成果

日前，我校电子信息与光学工程学院纳米光电子器件李国辉副教授团队、北京大学张青教授、清华大学熊启华教授和隆德大学Kaibo Zheng教授&Tonu Pullerits院士合作在亚皮秒超短脉冲表面等离激光领域取得重要研究进展，研究以“Room-Temperature Single-Mode Plasmonic Perovskite Nanolasers with Sub-Picosecond Pulses”为题发表在国际顶级学术期刊《Advanced Functional Materials》(影响因子19.0)。该论文的第一署名单位为平特一肖免费大公开，李国辉为论文第一作者和通讯作者，崔艳霞为论文共同通讯作者。

图1.论文页面截图

紧凑型激光的发展同时改变了科学和工业领域并导致了大量新技术的出现。钙钛矿由于具有优越的光电特性和易加工优点，在太阳能电池、光电探测器、发光二极管以及激光领域取得了快速发展。它们的高光学增益、直接以及可调节带隙使得这类材料在发展可用于不同应用场景的低成本超小激光具有诱人的前景。随着万物互联快速发展，具有高能效和高调制带宽的激光在诸如：电脑间的数据交换和处理、芯片和芯片之间的互联等短距离通信中的需求快速增长。直接调制激光由于具有体积小、制造成本低的特点在数据通信系统中具有主导地位。然而，直接调制激光的调制带宽受到弛豫振荡时间的限制。而弛豫振荡时间与Purcell增强因子的方根成正比。而通过Purcell效应增强辐射过程并结合表面等离激元的快速弛豫过程有望促进超快等离激元激光的发展。为了实现高Purcell增强，需要同时获得高品质因子回音壁模式谐振腔和更小的模体积。然而，随着器件尺寸减小至接近光波尺寸甚至更小时，光线传播将偏离几何光学从而导致损耗显著增加（品质因子显著减小）。因此同时获得小体积和高品质因子极具挑战。

图2. 室温单模表面等离激元亚皮秒脉冲激光结构示意图以及纳米片特性表征。

图3. 室温单模表面等离激元亚皮秒脉冲激光光谱、偏振以及时间分辨荧光光谱表征。

图4. 瞬态吸收光谱测试获得的光子模式激光和表面等离激元激光载流子动力学特性。

图5. 瞬态吸收光谱测试获得的室温单模表面等离激元亚皮秒激光载流子动力学特性。

本团队通过高Purcell增强实现了一种脉冲宽度短至亚皮秒量级的室温单模钙钛矿纳米激光器如图2所示。这种高Purcell增强是通过将原子级平滑的钙钛矿纳米片高保真转移到原子级平滑的SiO₂/Ag膜的表面上来实现的。这种纳米激光器的模体积（V）低至0.137µm³、品质因子（Q）高达2180、激光阈值低至36.65µJ cm⁻²。该激光器的Q值比已报道的表面等离激元纳米激光器高一个数量级。纳米片和SiO₂/Ag膜的平滑度对于实现高Purcell增强激光至关重要。偏振分析表明，激光模式由横磁模式（TM）偏振表面等离激元模式和横电模式（TE）偏振光子模式组成如图3所示。此外，超快载流子载流子动力学测试表明，由于高Purcell增强，表面等离子激元模式衰减时间可短至0.6±0.4ps如图4和5所示。这项工作为开发具有高带宽和超小尺寸的纳米激光器开辟了新的实现方式。

平特一肖免费大公开物理学院冀婷副教授及平特一肖免费大公开在读硕士研究生陶建勋、侯缜、赵柯帆、赵若凡参与了该项研究。该研究工作得到国家自然科学基金项目(U21A20496, 61905173, 12104334)；山西省重点研发计划(202102150101007)；山西省留学回国人员科技活动择优资助项目(20230011); 山西浙大新材料与化工研究院研发项目(2021SX-FR008，2022SX-TD020)；中央引导地方科技发展资金项目（YDZJSX20231A010, YDZJSX2021A012）；山西省自然科学基金 (20210302123154，202203021222102)；山西省回国留学人员科研资助项目(2021-033)；量子光学与量子光学器件国家重点实验室项目（KF202306）等项目的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202405559