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金年会|钙钛矿微腔光子-激子强耦合及激光器件研究取得进展
2022-09-15 04:20
本文摘要:微腔激光器是光子芯片的核心器件之一,设计倒数光乃至电驱动微腔激光器也就出了光电信息领域的根本性挑战。基于光子-激子强劲耦合效应,构建激子-极化激元的波色爱因斯坦汇聚,为发展较低阈值微腔激光器获取了一种解决方案。当前,由于无机半导体材料的激子结合能较低,其激子极化激元仅有在长禁带半导体或者耗资便宜的量子阱中结构中构建。 尽管有机半导体材料具备较小的激子结合能,其很弱非线性系数及较好的晶格质量很大地妨碍了极化激元的汇聚。

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微腔激光器是光子芯片的核心器件之一,设计倒数光乃至电驱动微腔激光器也就出了光电信息领域的根本性挑战。基于光子-激子强劲耦合效应,构建激子-极化激元的波色爱因斯坦汇聚,为发展较低阈值微腔激光器获取了一种解决方案。当前,由于无机半导体材料的激子结合能较低,其激子极化激元仅有在长禁带半导体或者耗资便宜的量子阱中结构中构建。

尽管有机半导体材料具备较小的激子结合能,其很弱非线性系数及较好的晶格质量很大地妨碍了极化激元的汇聚。金属卤化物钙钛矿材料兼备无机及有机半导体的优点,如制取成本便宜、光吸收效率高、缺失浓度较低、载流子传输距离宽,还有简陋回声的禁带宽度和出色的增益特性,在较低阈值固态微腔激光器领域有最重要的应用于前景。

近期,北京大学工学院张青研究员课题组在可见闪烁的钙钛矿纳米线微腔的光-物质强劲相互作用领域获得新进展,为基于激子极化激元的玻色-爱因斯坦汇聚效应构建较低阈值微腔激光器获取了思路。涉及工作在线公开发表在NanoLetters(DOI:10.1021/acs.nanolett.7b04847)、ACSPhotonics(DOI:10.1021/acsphotonics.7b01593)、Adv.Opt.Mater.(2018,6,1701032)等期刊杂志上。a.角辨别荧光光谱系统b.CsPbBr3纳米线的荧光色散曲线(插画),以及激光阈值-拉比劈裂曲线c.MAPbBr3纳米线在glass和SiO2/Ag衬底上拉比劈裂能随着有效地模式体积的变化关系通过空间角辨别荧光光谱,张青课题组在有机-无机混合钙钛矿MAPbBr3纳米线微腔中首次观测到该材料体系的激子-极化子激元效应,光子-激子耦合强度随着纳米线的尺寸增大而减少,室温的拉比劈裂能低约390meV,这项工作公开发表在Adv.Opt.Mater.杂志,并被WileyMaterials&Views作为亮点工作报导,选入该期刊2018年2月及3月低iTunes论文。

振子浓度和模式体积是影响微腔光子-激子强劲耦合起到的关键因素。课题组通过引进表面等离激元纳腔,设计MAPbBr3纳米线-SiO2-Ag混合微腔结构,有效地提升了局域振子数目,使拉比劈裂能强化至564meV,群折射率提升至17。这项工作公开发表在NanoLetters,北京大学2017级平博生尚秋宇为第一作者。

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更进一步,在结构平稳、高质量显无机CsPbBr3纳米线中,他们通过提升光子-激子耦合强度减少激光阈值,在耦合强度低于450meV时,观测到室温激子-极化子激光,激光器的阈值大约减少至原值的1/7,此项工作公开发表在ACSPhotonics。以上研究结果对于较低阈值微型激光器、量子通信、非线性光学等领域研究有最重要意义。该系列工作与国家纳米科学中心刘新风教授、北京大学物理学院肖云峰教授、工学院张艳锋教授以及南洋理工大学熊启华教授、阿卜杜拉国王大学吴韬教授的课题组合作已完成。

研究获得国家重点研发计划、青年千人计划、北京大学“双一流”计划及清华大学低维与量子物理国家重点实验室的经费反对。


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