[發明專利]一種高能效鈣鈦礦光子晶體激光器

有效

• 申請號: 202011189709.2
• 申請日: 2020-10-30
• 公開（公告）號: CN112421362B
• 公開（公告）日: 2022-02-08
• 發明（設計）人: 李國輝;周博林;崔艷霞
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H01S3/08
• 分類號: H01S3/08;H01S3/16;B82Y20/00;B82Y40/00
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 李富元

本發明屬于納米激光領域，特別涉及一種高能效鈣鈦礦光子晶體激光器。一種高能效鈣鈦礦光子晶體激光器，玻璃基底（5）上涂覆有聚合物層（4）、聚合物層（4）上為TiO₂光子晶體微腔層（2）、TiO₂光子晶體微腔層（2）上為鹵化鉛鈣鈦礦納米片層（1），TiO₂光子晶體微腔層（2）為帶線性三孔缺陷納米諧振腔（6）的TiO₂材料中鑲嵌有空氣孔的三角晶格的光子晶體，空氣孔半徑為100 nm，光子晶體層晶格常數a為300 nm，缺陷左右兩端臨近的空氣孔，向兩端外移36 nm構成缺陷左右兩端缺陷孔（7）。

技術領域

本發明屬于納米激光領域，特別涉及“體積能效”的一種高能效鈣鈦礦光子晶體激光器。

背景技術

納米激光是當前激光研究和應用的熱點之一，除了可以在芯片商集成光子系統、集成檢測方案、柔性顯示的相干光源，在基本激子極化基元物理研究方面也有想當大的吸引力。

對于納米激光領域面臨的“體積和能效”挑戰，即進一步減小體積和提高能效，可以通過諧振腔設計和增益介質兩方面優化進行解決。根據腔量子電動力學理論可知，納米諧振腔的體積 V 小到光波波長的立方量級， 并且諧振腔的品質因子 Q 值足夠大時，增益介質與諧振腔模式耦合的輻射由于Purcell 效應將會被顯著增加 Q/V 倍，從而降低激光閾值乃至實現無閾值激光。 通過對諧振腔設計優化可以提高Q值，達到提高Q/V值，產生高能效納米激光的目的。該方面研究已取得進展。

2017 年，中國復旦大學張樹宇等利用納米壓印技術在石英基底上的聚合物薄膜上加工出的周期為360 nm的分布反饋式諧振腔，并加載了厚度為80 nm的鈣鈦礦薄膜作為增益介質。通過波長355 nm、脈沖寬度為90 ps的激光激發，成功實現了654 nm單模激光輸出，其發射閾值為33 μJ cm^-2， 激光線寬為4.9 nm。該諧振腔利用布拉格反射實現光波局域的目的。但光的局域化導致限制在一個極小諧振腔中的光波是由大量具有不同幅度波矢量的平面波所組成，所有的平面波同時滿足布拉格反射這一條件難以實現，分布反饋式諧振腔難以實現腔的尺寸接近光波波長的高Q值諧振腔，在體積上存在劣勢，無法激發Purcell效應，不允許增益介質與諧振腔模式的強相互耦合。難以有效解決“體積與能效”問題。

2015 年，美國華盛頓大學 Sanfeng Wu 等人利用線性三孔缺陷的三角晶格 GaP光子晶體和單層WSe₂增益介質組成的微納諧振腔成功演示了工作在 130 K 溫度下的連續激光。實驗中采用的GaP光子晶體薄膜刻蝕側壁垂直度高，顯著提高了納米腔的Q值（2500），Purcell因子顯著提高，有效實現對自發輻射的操控，實現了1 W/cm²低閾值激光。但該激光是在低溫（液氮）環境下實現的，實驗中采用的單層WSe₂增益材料量子產率最高接近60%，在實現高能效激光方面仍存在很大挑戰。

發明內容

本發明要解決的技術問題是：如何解決背景技術中的問題，提供一種Q值、小線寬、低閾值甚至無閾值的室溫鹵化鉛鈣鈦礦光子晶體納米諧振腔激光器。