長(zhǎng)期以來(lái)，工程師們一直致力于為硅芯片制造小型、高效的激光器，這對(duì)于先進(jìn)的光通信和計(jì)算至關(guān)重要。傳統(tǒng)激光器使用昂貴的 III-V 族半導(dǎo)體，難以與硅集成。全無(wú)機(jī)鈣鈦礦薄膜提供了一種更便宜、用途廣泛的替代品，具有很強(qiáng)的光學(xué)性能。然而，一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是，在室溫下，鈣鈦礦激光器難以連續(xù)運(yùn)行，因?yàn)樗鼈儠?huì)因俄歇（Auger）復(fù)合而迅速失去電荷載流子。
浙江大學(xué)和先進(jìn)材料與化學(xué)工程研究所的研究人員開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單的方法來(lái)克服這一挑戰(zhàn)，使鈣鈦礦激光器在近乎連續(xù)運(yùn)行下的性能創(chuàng)下了記錄。新方法在多晶鈣鈦礦薄膜的退火過(guò)程中使用揮發(fā)性銨添加劑。這種添加劑會(huì)觸發(fā)“相重建”，去除不需要的低維相，減少加速俄歇復(fù)合的通道。其結(jié)果是產(chǎn)生純3D結(jié)構(gòu)鈣鈦礦，可以更好地保留激光所需的電荷載流子，而不會(huì)增加顯著的光學(xué)損耗。
為了評(píng)估這種改進(jìn)，該團(tuán)隊(duì)分析了電子和空穴在不同泵浦條件下如何重新結(jié)合。當(dāng)輸入光以較長(zhǎng)的脈沖或連續(xù)光束傳遞時(shí)，俄歇復(fù)合—來(lái)自復(fù)合電子-空穴對(duì)的能量被提供給另一個(gè)載流子而不是作為光發(fā)射—變得特別成問(wèn)題。在這些情況下，載流子注入發(fā)生的時(shí)間尺度與俄歇壽命相似或更長(zhǎng)，導(dǎo)致載流子快速損失并防止激光所需的群體反轉(zhuǎn)的積累。通過(guò)抑制這一過(guò)程，研究人員能夠維持高效受激發(fā)射所需的載流子密度。
利用優(yōu)化的薄膜，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了單模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），在準(zhǔn)連續(xù)納秒泵浦下實(shí)現(xiàn)了17.3 μJ/cm2 的低激光閾值和令人印象深刻的 3850 質(zhì)量因數(shù)。據(jù)報(bào)道，這一性能標(biāo)志著鈣鈦礦激光器在該狀態(tài)下迄今為止報(bào)告的最佳性能。
這些結(jié)果強(qiáng)調(diào)了制造高性能鈣鈦礦激光器的實(shí)用途徑，這些激光器可以在真正的連續(xù)波或電力驅(qū)動(dòng)條件下工作，這是它們集成到未來(lái)光子芯片和潛在的柔性或可穿戴光電器件中的關(guān)鍵里程碑。
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