片上光子信息處理系統對納米尺度上的優良相干小型化光源提出了迫切需求。然而，當接近亞波長或深亞波長尺度時，微型激光器的最小尺寸和性能之間存在一個基本的平衡。為了克服這種權衡，該工作研發了一種激光尺寸僅為~50 nm的新型亞波長鈣鈦礦微納激光器。準二維鈣鈦礦具有強的束縛電子-空穴對（激子）和一個天然的能級梯度，利于激子在最低能帶隙量子阱聚集，從而實現粒子數反轉。

研究使用飛秒瞬態吸收光譜揭示了鈣鈦礦薄膜增益介質的發光動力學機制，發現高達558 cm-1的凈增益壽命約50 ps，并分析了超快級聯能量傳輸和單線態及三線態激子等對增益的貢獻。受其優異增益特性的啟發，科研人員結合40 nm的增益介質，采用10 nm厚的紫外膠及SiO2基底構成的超簡“三明治”構造，在室溫下實現了激光尺寸僅為50 nm的單模皮秒激光發射，且其線偏振度高達81%，雙光子及單光子激發閾值僅為~143 μJ/cm2和10.5 μJ/cm2。該激光器在4.8×106個飛秒激光脈沖持續激發下，仍表現出良好的穩定性。特別是在亞波長尺度下，其品質因子高達1635，在鈣鈦礦垂直腔面發射激光器當中居于前列，并在傳統全介質微納激光中表現優異。

 

2018年，上海光機所首次將鈣鈦礦微納激光的尺寸發展到亞波長尺度（ACS Nano 2018, 12, 6, 5923–5931），此次工作將此類激光的尺寸進一步發展到深亞波長尺度，結合該研究中率先發展的簡單“三明治”結構，有望推動鈣鈦礦激光器的發展進程和片上集成小型化光源的應用。

 

研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項（B類）、上海市優秀學術/技術帶頭人計劃等的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c10647