圖1 立方體鈣鈦礦光學性能表征。a)TEM形貌圖。b)晶體結構及微腔示意圖。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)輸出時域脈沖。

 

 

圖3 閾值上下瞬態吸收譜。a)閾值下。b)閾值上。
 

　　在該項工作中，科研人員在三維尺寸均小于發射波長的單個鈣鈦礦納米立方體結構中實現了高品質、低閾值、窄帶寬、溫度穩定性好的皮秒脈寬單模激光輸出。這是目前已知的小尺寸的鈣鈦礦納米激光器，也是基于傳統諧振腔結構的小激光器。該研究成果將推動微型激光器進一步向小型化和短脈沖發展。
 

　　納米尺度激光器在光電集成、高密度數據存儲、片上交互、薄膜顯示、高分辨率生物成像和傳感等多個領域有巨大應用前景，但將光場限制在亞波長尺度的傳統諧振腔構型的激光器一直以來都鮮有報道。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三維亞波長尺度的鈣鈦礦立方體納米結構，其端面平滑、結構規則的特性(圖1)，使其本身既可以作為激光增益介質，又可以在界面處實現高反效果終形成理想的Fabry-Perot共振腔。利用顯微光學系統對單個立方體諧振腔進行研究，在室溫條件下得到了高增益、低閾值、窄帶寬的頻率上轉換皮秒單模激光輸出(圖2)，整個激光器的體積僅為~0.49λ3。利用上海超強超短激光實驗裝置(SULF)前端發展的超快泵浦探測平臺，對該納米激光器的激光增益機理進行了深入分析(圖3)，闡明其內在物理機制；同時，其溫度依賴發光特性的研究表明，該納米激光器的發光峰對溫度不敏感，具有非常良好的溫度穩定性。
 

　　該項研究得到了中科院B類先導專項、國家重點研發計劃-政府間科技創新合作重點專項、中科院“百人計劃”、國家自然科學基金等的支持。
 

　　(原文標題：上海光機所等在三維亞波長空間實現鈣鈦礦納米激光輸出)