近日，我实验室纳米材料物理与器件课题组在钙钛矿微腔激光研究方面取得积极进展，相关成果以“Robust frequency-upconversion lasing operated at 400 K from inorganic perovskites microcavity”为题发表于中国科技期刊卓越行动计划领军期刊《Nano Research》上。该论文的第一作者和通讯作者为史志锋副教授，吉林大学张宇教授为共同通讯作者，郑州大学为第一完成单位。文中，微腔激光的理论模拟分析由我院张元教授完成。

激光器自1960年诞生以来，在医疗、光存储、精密加工、通信等领域不断改善着人类的生活。随着科技的不断发展，紧凑型、低功耗、易集成的微纳米激光器因其在光电集成、量子信息和光子计算机等领域的应用价值逐渐成为学术界的研究热点。金属卤化物钙钛矿材料具有高效的激子发光、高光学增益以及可调的发光波长等优良特性，是制备低阈值微腔激光器的理想候选材料。然而，受限于钙钛矿材料本身较差的热稳定性，大多数已报道的钙钛矿微腔激光器只能在室温甚至是低温下工作，且大多为单光子激发，这严重限制了高功率集成光电子设备以及后期钙钛矿电泵浦激光器的发展。不同于单光子激发，多光子激发拥有明显的优势，如更大的穿透深度、更高的空间分辨率、更低的激发能量，在生物光子学领域具有重要的应用价值。因此，从应用的角度考虑，提升钙钛矿微腔的热稳定性，实现其在高温、多光子激发下的低阈值激光输出是一个重要的研究课题。

针对上述问题，我实验室研究人员采用改进的双温区化学气相生长技术，成功制备出高质量、形貌规则、尺寸连续可调（3.6−16.5μm）的立方CsPbBr3微米盘。通过XRD摇摆曲线测试证实了材料的单晶特征；而且，经历400 K高温条件下的连续紫外光辐照，材料的发光和结构特性可以维持，证实了其优良的稳定性。由于该材料较大的光子吸收截面，研究人员成功实现了基于回音壁模式（WGM）的单光子、双光子、三光子激光发射，激射阈值分别为14.6μJ/cm2、41.5μJ/cm2和116.5μJ/cm2，线宽为0.32 nm，品质因子为1700。而且，在多光子激发模式下，可以通过调控WGM微腔尺寸，实现激光器由多纵模输出向单纵模输出转变。进一步，通过固定激发功率（150μJ/cm2），研究人员实现了三光子WGM激光在400 K下的连续工作，通过计算得到特征温度为152.6 K。而且，经历290 K−400 K−290 K的连续两个循环测试，激光器的谐振模式和激射阈值可以很好地保持。在该工作中，多光子激光的成功实现和高温稳定工作，主要归结于高品质的WGM微腔对光子的局域化传输和谐振放大行为，这一方面杜绝了光散射损耗的产生，降低了激射阈值，另一方面可以为光子在高温下的谐振放大过程提供持续的光增益，保证了其高温环境下的连续工作。该成果不仅证明了卤化物钙钛矿材料在微纳米激光领域的应用优势，也为高温稳定的多光子激光实现提供了新的研究思路。

该工作得到了国家自然科学基金、河南省高层次人才特殊支持计划以及郑州大学物理学科推进计划等项目的支持。

文献链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-021-3508-7