一种钙钛矿微型激光器的制备方法与流程

本发明属于激光器领域，更具体地，涉及一种钙钛矿微型激光器及这种钙钛矿微型激光器的制备方法。

背景技术：

近年来，固体激光器特别是高功率固体激光器和二极管泵浦固体激光器及其应用研究得到迅速发展。在工业激光材料加工、激光医学、激光化学以及国防军事等方面获得广泛地应用。固体激光器具有输出能量大、峰值功率高、便于光纤耦合、单元技术成熟等优点。同时，在现有技术实现的固体激光器也存在缺点和不足：温度效益比较严重、发热量大，正是由于输出能量大、峰值功率高，导致热效应非常明显，因此固体激光器不得不配置冷却系统，才能保证固体激光器的正常连续使用；转换效率相对较低，固体激光器的总体效率非常低，例如红宝石激光器的为0.5％～1％左右，yag激光器的总体效率为1％～2％，在最好的情况下可接近3％，可见固体激光器的效率提高还有很大的空间；固体激光器实现激射需要特定的增益介质，不同的增益介质对应特定的输出波长，而这种增益介质的获得较为困难，这对实现不同波段的固体激光器产生难题。

钙钛矿材料作为一种直接带隙半导体材料，因具有载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高等优点，使得钙钛矿材料不仅在光伏领域具有优异的表现，在微纳激光器领域也具有广泛的应用。2008年，有报道称掺钕的laalo3单晶结构能够在红外区1080nm处有激光出射现象。这也是第一次证明钙钛矿材料的激光性能。直到2014年，混合型有机—无机杂化钙钛矿(ch3nh3pbi3-xclx)终于成功制备出来，这种半导体可以用于制备光泵浦垂直谐振腔激光器，实验表明此激光器从泵浦光到出射激光的效率高达70％。

实现不同波段固体激光器器件存在一定的困难，并且固体激光器在转化效率、温度增益比方面存在缺点，因此，如何实现转化效率高、温度增益比小、针对不同波段需求可以较容易实现的激光器器件是要解决的技术问题。利用现有技术，应用钙钛矿材料具有载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高等优点，可使用钙钛矿材料作为激光器的增益介质实现一种激光器。根据这种理论，本发明提出一种利用钙钛矿材料作为增益介质的激光器，这种激光器具有较低的激光阈值，工作波长调谐范围可覆盖近红外到可见光，解决固体激光器在不同波段实现激光激射的困难，同时这种激光器还具有转化效率高，温度增益比小的优点。

技术实现要素：

本发明提出一种钙钛矿微型激光器的制备方法，该方法利用具有载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高这些优点的钙钛矿材料作为激光器的增益介质，用半导体激光器阵列作为激励光源对钙钛矿材料进行泵浦，激励光源使钙钛矿材料产生稳定的自发辐射放大(ase)，最后实现目标波长的激光输出。本发明提出的这种钙钛矿微型激光器的制备方法，利用棒状或片状的钙钛矿材料为增益介质，半导体激光器阵列为激励光源，棒状或片状的钙钛矿材料具有可将70％的吸收光转化为发射光的优点，用半导体激光器阵列泵浦这种棒状或片状的钙钛矿材料的激光器可实现低阈值、高转化效率、工作波长调谐范围可覆盖近红外到可见光的特点，解决现有技术中固体激光器转化效率低、温度增益比严重、实现不同波段激光器器件困难的问题。

为实现上述一种钙钛矿微型激光器的制备方法的目的，所采用的技术方案如下：

一种钙钛矿微型激光器的制备方法，这种方法通过用棒状或片状的钙钛矿材料作为激光器的增益介质，用半导体激光器阵列作为激励光源对这种激光器的增益介质进行泵浦，利用钙钛矿材料所具有的载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高这些优点实现一种低阈值、高转化效率、在不同波段容易实现的激光器器件。

上述一种钙钛矿微型激光器的制备方法，具体实现方法如下：

步骤一：在无色光学表面光刻与刻蚀棒状(如：长方形)或片状(如：圆形)图形；

步骤二：制备钙钛矿晶体材料的浓缩溶液，并将所制备的钙钛矿晶体材料浓缩溶液旋涂在步骤一中的无色光学玻璃表面；

步骤三：在无色光学玻璃透镜表面镀反射率99％以上的全反膜，作为激光器谐振腔的全反透镜；

步骤四：在激光器谐振腔全反透镜的另一侧与全反透镜平行相对的位置放置部分透镜，该部分透镜与全反透镜构成激光器的谐振腔，其中部分透镜透射部分成为可利用的激光，反射部分留在腔内继续增殖光子；

步骤五：用532nm波长的半导体激光器阵列激励步骤三中光学玻璃表面的钙钛矿晶体材料，实现粒子数反转在谐振腔中形成震荡，实现激光激射。

该发明的有益效果在于：本发明中通过用具有载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高的钙钛矿材料作为激光器中的增益介质，钙钛矿材料优选棒状或片状材料，用半导体激光器阵列作为激励光源对这种激光器的增益介质进行泵浦，实现一种低阈值、高转化效率、在不同波段容易实现的激光器器件，有效解决现有技术中固体激光器转化效率低、温度增益比严重、实现不同波段激光器器件困难的问题，同时本发明所述的这种激光器制备成本较低，有效推动高功率高效率激光器在各个领域的广泛应用。

附图说明

图1为本发明提出的一种钙钛矿微型激光器的结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式进行描述，以便更好的理解本发明。

本发明提出一种钙钛矿微型激光器的制备方法，该方法通过用具有载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高的钙钛矿材料作为激光器中的增益介质，钙钛矿材料优选棒状或片状材料，用半导体激光器阵列作为激励光源对这种激光器的增益介质进行泵浦，实现一种低阈值、高转化效率、在不同波段容易实现的激光器器件，有效解决现有技术中固体激光器转化效率低、温度增益比严重、实现不同波段激光器器件困难的问题。

下面结合附图和实施例对本发明提出的一种钙钛矿微型激光器的制备方法进行详细描述，实施例中钙钛矿材料优选为棒状钙钛矿晶体材料，激励源优选为532nm半导体激光器阵列，制备有棒状钙钛矿晶体材料的无色光学玻璃另一面的全反膜与表面镀有增透膜的光学玻璃形成激光器的谐振腔，532nm半导体激光器阵列激励棒状钙钛矿晶体材料实现粒子数反转并在谐振腔内震荡实现激光激射。

图1为本发明提出的一种钙钛矿微型激光器的制备方法所制备的激光器结构图，包括：棒状钙钛矿晶体材料1，无色光学玻璃2，全反膜3，全反透镜4，部分增透膜5，部分透镜6，532nm半导体激光器阵列激励源7。

实现本实施例所提出的一种钙钛矿微型激光器的制备方法如下：

步骤一：在无色光学玻璃表面光刻与刻蚀出棒状(如：长方形)或片状(如：圆形)图形，刻蚀采用湿法刻蚀的方法进行，根据激光器增益介质的需要刻蚀一定的深度(5μm～20μm)；

步骤二：将摩尔比为1：1的ch3nh3br和pbbr2同时溶解在dmf(2ml)中形成质量分数为百分之七十的饱和前驱体溶液，然后从中取出2ml的前驱体溶液注入10ml的甲苯溶液中，并且进行剧烈的晃动，经过充分的混合后，溶液会显现出强烈的绿色，再将溶液在10000rpm的离心机中离心大约10分钟，用移液枪移取出浓缩的前驱体溶液2ml旋涂在有棒状或片状图形的无色光学玻璃片上，最后，将表面有棒状或片状图形的无色光学玻璃片并旋涂前驱体浓缩液的样品放置在80℃的热台上持续热退火30分钟，在退火的过程中，前驱体溶液会逐渐结晶成ch3nh3pbbr3钙钛矿立方晶体；

步骤三：在全反透镜表面镀高反膜系，高反膜系制备工艺步骤依次为，擦拭镀件表面，装入夹具，放在镀膜机基片架上，对镀膜机抽真空，当真空达到要求时对镀件表面加热烘烤，温度为250℃，当真空度优于1.0×10^-3pa时开始全反膜系的制备，采用电子枪加热蒸发并在整个膜系的制备过程中使用考夫曼离子源，以提高膜层的激光损伤阈值，在膜系制备过程中利用mdc-360c石英晶体控制仪对膜层厚度进行监控；

步骤四：采用步骤三的光学膜制备工艺，在部分透射透镜表面制备部分反射膜系，制备工艺步骤依次为，擦拭镀件表面，装入夹具，放在镀膜机基片架上，对镀膜机抽真空，当真空达到要求时对镀件表面加热烘烤，温度为250℃，当真空度优于1.0×10^-3pa时开始部分反射膜系的制备，采用电子枪加热蒸发并在整个膜系的制备过程中使用考夫曼离子源，以提高膜层的激光损伤阈值，在膜系制备过程中利用mdc-360c石英晶体控制仪对膜层厚度进行监控；

步骤五：用532nm波长的半导体激光器阵列激励棒状钙钛矿晶体材料增益介质，钙钛矿晶体材料在激励源的泵浦条件下实现粒子数反转并在激光器谐振腔内实现震荡实现激光激射。

通过以上步骤实现本申请所要求保护的一种钙钛矿微型激光器的制备方法，这种方法通过用棒状或片状的钙钛矿材料作为激光器的增益介质，用半导体激光器阵列作为激励光源对这种激光器的增益介质进行泵浦，利用钙钛矿材料所具有的载流子迁移速率大、扩散长度长、吸收系数大、量子产率高这些优点实现一种低阈值、高转化效率、在不同波段容易实现的激光器器件，解决现有技术中固体激光器转化效率低、温度增益比严重、实现不同波段激光器器件困难的问题。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。