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超强激光科学卓越创新简报
(第一百八十八期)
2021年4月25日
上海光机所提出基于量子点自组装微腔固化实现高温稳定微纳激光器新方案
  近日,中国科学院上海光学精密机械研究所激光与红外材料实验室由研究员张龙、研究员董红星领衔的微结构光物理研究团队与华东师范大学、湖南大学等国内研究机构合作,在胶体量子点高温单模激光器研究领域取得重要进展。研究团队首次提出基于胶体量子点自组装微腔固化实验方案,成功开发了超稳定、低成本、高品质、宽带可调谐的高温单模激光器。相关研究成果发表于《光:科学与应用》 (Light: Science & Applications)。
  微纳结构激光器作为一种小型化的强光源,在全光学芯片,高像素全彩显示器和便携式光通信设备中具有重要意义和广泛应用。自上个世纪九十年代首次合成胶体量子点以来,由于其独特的结构、非凡的光学特性以及低制备成本而受到广泛关注。三十多年来,开发基于胶体量子点的高性能低成本微纳激光器一直是研究人员所追寻的目标。然而,相关研究却由于多重挑战并存而迟滞不前。包括对激光器优异激光性能的基本追求,更进一步满足连续工作稳定性和高温环境实用性等实际应用条件的能力以及对最终面向低成本大规模生产的商业潜力适配性。近年来,尽管研究人员投入了大量精力并取得了一定进展,但是当前的量子点激光器研究水平仍处于初始阶段,主要集中在如何获得高品质因子、窄线宽和低阈值等优异激光性能。即便如此,目前的量子点激光器仍面临着增益介质堆积密度较低、量子点与光学腔耦合效率低下以及微型化复杂系统的热稳定性差等诸多核心问题迫切需要解决。
  研究团队首次创新的提出基于胶体量子点自组装与溶胶-凝胶固化相结合的技术方案,制备了嵌入二氧化硅基质的量子点自组装光学微球腔,以此打破当前量子点激光器的研究瓶颈。首先,研究人员在这种高增益介质堆积密度、量子点与光学腔高效耦合的微球结构中获得了高品质因子、窄线宽和低阈值的优异单模激光性能。进一步的,基于二氧化硅基质的优异稳定性,研究人员首次将胶体量子点激光器的工作温度提升到450 K,获得了长效稳定输出的高温量子点单模激光器,这也是目前所报道的最高工作温度。通过调节胶体量子点的组分和尺寸,高温单模激光甚至可以扩展到整个可见光谱范围。此外,如何解决散热问题是下一代高度集成化光电子器件固有的、不可避免的难题,该项研究为实现小型化光电子元器件的高温稳定运行提供了直接解决方案。更重要的是,这种创新的溶液可加工技术方案相比于传统的设备昂贵、工艺复杂、制备周期长的外加光学腔加工方法,其在室温液相条件下即可进行,方法简单、易于操控并且可大规模批量化生产,所开发的微型激光器可高密度集成在微型基板中,有望构建经济型超亮片上光源。综上,该研究工作独辟蹊径,突破了当前量子点激光器工作的研究瓶颈,实质性的推动了量子点微纳激光器从基础性能研究向实用化、商业化的发展,为新型微纳结构激光器、高温微型器件和小型化光学传感器、低成本光通信设备和集成光子芯片等研究提供了新的思路。
  该工作得到国家自然科学基金、上海市青年拔尖人才计划等项目的支持。(激光与红外材料实验室供稿)
图1 胶体量子点激光器研究所面临的三大核心问题以及相应解决方案
图2 可集成的高温宽带可调谐胶体量子点单模激光器
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