复享光学-PG2000-Pro在钙钛矿纳米激光器表征中的应用

利用光谱仪检测亚皮秒脉冲激光波长

【概述】直接调制激光器（DMLs）是一类广泛应用于光通讯领域的激光器，因其成本低、尺寸小、单模性好等优点，在中短距离的数据通信系统中占据着主导地位。然而，由于载流子光子动力学数百GHz 的限制带宽，当前最先进的 DMLs 调制带宽最高仅 108GHz，因此，突破载流子光子动力学限制才可进一步增加 DMLs 的调制带宽。

图1，等离子体激光器结构示意图

2024年，太原理工大学崔艳霞教授、李国辉副教授团队和隆德大学合作在二维钙钛矿激光领域取得重要研究进展，在国际期刊《Advanced Function Materials》发表了题为“Room-Temperature Single-Mode Plasmonic Perovskite Nanolasers with Sub-Picosecond Pulses”的研究论文。作者采用钙钛矿材料制备的单模等离子体钙钛矿纳米激光，通过等离子体效应缩小纳米激光器的尺寸，增强 Purcell效应，使得其调制带宽比已有研究的 DMLs 高出一个数量级。

图2，钙钛矿纳米片的光学图像

【样品 & 测试】作者采用两步化学气相沉积法制备了模态体积低至 0.137μm3 的纳米激光器件 MAPbI3。激光被集中在 7nm 厚的 SiO2膜中，有效模态体积小至 0.137μm3，有利于增强 Purcell效应，同时，表面等离子体衰变的脉冲可以短至 0.6±0.4ps。随后，作者使用分辨率为 0.25nm 的高灵敏光谱仪PG2000-Pro 记录了由 343nm 飞秒激光器泵浦的等离子体激光器在室温下的发射光谱。

图3，激光波长测量结果

通过复享光谱仪PG2000-Pro 测定不同泵浦密度下的发射光谱（图3），可以看出随着泵浦密度的增加（P>36.65μJ cm-2），发射光谱曲线上出现了一个中心在 785.3nm 处的尖峰。尖峰表明激光的出现，且激光阈值为 36.65μJ cm-2。为了比较不同的激光器，激光的阈值通常用泵浦密度来量化，在这里，对于单个纳米片，泵浦密度对应的阈值能量为 19.20pJ，与之前报道的钙钛矿激光器脉冲模式下的激光阈值能量相比，该研究中的等离子体纳米激光器的阈值能量要低一个数量级。

图4，P=37.12 μJ cm^-2（高于阈值）时的激光光谱

当P=37.12μJ cm-2 时，从激光波长光谱（图4）中可以看出，此时激光占据主导地位，半高宽低至 0.36nm，对应的质量因子Q（Q=𝜆/Δ 𝜆）高达 2180。该检测结果比以前报道的等离子体纳米激光器高出一个数量级以上。在这里，高质量因子结合小尺寸模态体积，使得纳米激光器能够实现高达太赫兹的最大调制带宽。

图5，文章对复享光学PG2000-Pro的标注

【总结】作者通过 Purcell效应增强，成功地展示了一种具有亚皮秒脉冲的室温单模等离子体钙钛矿纳米激光器，其调制带宽比最先进的 DMLs 高出一个数量级。复享PG2000-Pro光谱仪，成功检测出激光光谱的变化过程，是表征激光器件性能的有力工具。

  【参考文献】
      ✽ G. Li, J. Tao, Z. Hou, K. Zhao, R. Zhao, T. Ji, Q. Zhang, Q. Xiong, K. Zheng, T. Pullerits, Y. Cui. Room-Temperature Single-Mode Plasmonic Perovskite Nanolasers with Sub-Picosecond Pulses.Adv. Funct. Mater. (2024).