一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器

本发明属于纳米激光，具体涉及一种“缺陷免疫”的二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器。

背景技术：

1、近年来，钙钛矿材料已成为发光器件领域极具竞争力的材料。三维钙钛矿材料的环境稳定性较差，在紫外照射、高温和水环境中易分解，进而导致发光器件的性能大幅度降低。在钙钛矿组成成分中引入大型疏水型有机阳离子，可形成具有优良的环境稳定性的二维钙钛矿。相较于三维钙钛矿，新型二维钙钛矿的优势包括可溶液法制备、优异的成膜性、优异的光稳定性、超低的自掺杂行为、低缺陷密度和显著降低的离子迁移效应等突出的光学性能。二维钙钛矿除了通过调节层数可调控发光波长，还可以通过调节组分实现对发光波长更大范围的调控。

2、光子晶体是一种具有光子带隙特征的人工微纳结构。根据光子晶体空间结构分布的周期性和带隙特性，可将其分为一维光子晶体、二维光子晶体、三维光子晶体。相较于一维光子晶体，二维光子晶体可调控的物理量更为丰富，同时可以使用目前成熟的半导体微纳加工技术加工；相较于复杂的三维光子晶体，二维光子晶体器件实验制备相对简单。将二维光子晶体结构引入半导体激光器，其折射率在平面内的两个不同方向上周期排列，与该平面垂直的方向则是均匀的。利用二维光子晶体的禁带效应、光局域特性，可以从平面两个方向对光进行限制，有助于构建高品质因子(q)的谐振腔。

3、钙钛矿光子晶体激光器展现出了q值高、模式体积小、阈值低等优势。2017年，德国伍珀塔尔大学pourdavoud等（参见pourdavoud n, wang s, mayer a, et al. photonicnanostructures patterned by thermal nanoimprint directly into organo-metalhalide perovskites. advanced materials, 2017, 29(12): 1605003.）利用热纳米压印技术在mapbi3钙钛矿薄膜上加工出周期为450 nm，厚度为230 nm的空气柱，形成二维光子晶体激光腔，通过光子带隙模式实现了脉冲能量密度为3.8 µj/cm-2的低阈值激光。2019年，diguna等（参见diguna l j, hardhienata h, birowosuto m d. design of perovskitephotonic crystals for emission control. journal of physics: conferenceseries, 2019, 1170(1): 012003）基于mapbi3钙钛矿材料研究了二维光子晶体激光器的发射控制，该激光腔中光子晶体晶格常数为360 nm，空气孔半径为108 nm，平均厚度为198nm。该结构在779 nm波长模式下，purcell因子可达到199.6，q值为1560。

4、目前钙钛矿光子晶体激光器的结构尺度为微米或纳米尺度，激光腔在加工过程中的缺陷、杂质等会大大影响激光器的光学性能。因此，需要对光子晶体激光器的结构进行改进，提高其抗缺陷能力。

技术实现思路

1、本发明克服现有技术中光子晶体激光器存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种高q值、对缺陷或杂质免疫的二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，包括二维钙钛矿薄膜，所述二维钙钛矿薄膜上以三角形的畴壁为界，内部和外部分别设置有第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体形成激光腔，所述第一能谷光子晶体包括多个第一六边形空气孔，所述第二能谷光子晶体包括多个第二六边形空气孔，所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的中心呈三角晶格状排列，且第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的方向相反，使第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体拓扑性质相反。

3、所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔均包括三条相等的短边和三条相等的长边，三条短边和三条长边间隔设置，且120°旋转对称设置。

4、所述三条短边的长为a的0.2~0.3倍，三条长边的长为a的0.5~0.6倍，其中a表示所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔形成三角晶格的晶格常数。

5、所述三条短边的长为d1=0.26*a，三条长边的长为d2=0.58*a，其中a表示所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔形成三角晶格的晶格常数。

6、所述畴壁为等边三角形，第一六边形空气孔的三条长边所在直线形成的三角形与所述畴壁所在的三角形同向设置，第二六边形空气孔的三条长边所在直线形成的三角形与所述畴壁所在的三角形反向设置。

7、所述畴壁的边长为20~25*a，a表示所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔形成三角晶格的晶格常数。

8、所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的晶格常数a为150~200nm。

9、所述二维钙钛矿薄膜的厚度为h=100 nm，折射率为2.29，化学式为(pea)2fa7pb8br25，其底部设置有金属层，顶部空气孔以外的位置也设置有金属层。

10、本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

11、1.本发明提供了一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，将二维钙钛矿材料与光子晶体激光器相结合，通过适当的谐振腔设计，可以获得结构尺寸在微纳量级甚至纳米量级尺寸、高q值的激光器。并且二维钙钛矿与空气的折射率对比使得光波在垂直方向因全内反射被限制在光子晶体层，对光的限制作用更强。

12、2.本发明基于光学类量子能谷霍尔效应，将能谷自由度引入光子晶体中，打破结构的空间反演对称性发生拓扑相变，实现传输光的不同拓扑相位的可控带隙，形成抑制反向散射的拓扑边缘态，具有较高的出射效率，极大地改善了激光性能，利用拓扑边缘态形成三角形环状的拓扑波导，模拟二维结构计算得到q值最大能达到4.5×104。

13、3.由于二维拓扑光子晶体边缘模式的鲁棒性，即使存在缺陷、紊乱或尖角，电磁波仍可以沿着两个拓扑性质不同的光子晶体之间的畴壁平滑地传播，因此。本发明的光子晶体激光器对缺陷、微扰等具有鲁棒性，低损耗，结构紧凑。而且，通过实验证实，在激光腔结构中引入拓扑保护模式在激光腔中引入缺陷，破坏光子晶体的周期性结构，仍不影响该激光器的光学性能，说明本发明的光子晶体激光器对加工过程的要求的宽容度较高，在加工过程产生的误差及缺陷将不会对该结构的光传输特性造成明显影响。因此，本发明的光子晶体激光器可以用目前成熟的半导体微纳加工工艺实验制作。

14、综上所述，本发明利用拓扑光学模式的拓扑保护作用，构建二维钙钛矿拓扑光子激光器，可以大大地改善激光性能，实现对缺陷或杂质具有鲁棒性的高q值激光。

技术特征：

1.一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，包括二维钙钛矿薄膜（1），所述二维钙钛矿薄膜（1）上以三角形的畴壁（2）为界，内部和外部分别设置有第一能谷光子晶体（3）和第二能谷光子晶体（4）形成激光腔，所述第一能谷光子晶体（3）包括多个第一六边形空气孔（5），所述第二能谷光子晶体（4）包括多个第二六边形空气孔（6），所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）的中心呈三角晶格状排列，且第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）的方向相反，使第一能谷光子晶体（3）和第二能谷光子晶体（4）拓扑性质相反。

2.根据权利要求1所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）均包括三条相等的短边和三条相等的长边，三条短边和三条长边间隔设置，且120°旋转对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述三条短边的长为a的0.2~0.3倍，三条长边的长为a的0.5~0.6倍，其中a表示所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）形成三角晶格的晶格常数。

4.根据权利要求3所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述三条短边的长为d1=0.26*a，三条长边的长为d2=0.58*a，其中a表示所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）形成三角晶格的晶格常数。

5.根据权利要求2所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述畴壁（2）为等边三角形，第一六边形空气孔（5）的三条长边所在直线形成的三角形与所述畴壁（2）所在的三角形同向设置，第二六边形空气孔（6）的三条长边所在直线形成的三角形与所述畴壁（2）所在的三角形反向设置。

6.根据权利要求5所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述畴壁（2）的边长为20~25*a，a表示所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）形成三角晶格的晶格常数。

7.根据权利要求1所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述第一六边形空气孔（5）和第二六边形空气孔（6）的晶格常数a为150~200nm。

8.根据权利要求1所述的一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，其特征在于，所述二维钙钛矿薄膜（1）的厚度为h=100 nm，折射率为2.29，化学式为(pea)2fa7pb8br25，其底部设置有金属层（7），顶部空气孔以外的位置也设置有金属层（7）。

技术总结
本发明属于纳米激光技术领域，公开了一种二维钙钛矿拓扑光子晶体激光器，包括二维钙钛矿薄膜，所述二维钙钛矿薄膜上以三角形的畴壁为界，内部和外部分别设置有第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体形成激光腔，所述第一能谷光子晶体包括多个第一六边形空气孔，所述第二能谷光子晶体包括多个第二六边形空气孔，所述第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的中心呈三角晶格状排列，且第一六边形空气孔和第二六边形空气孔的方向相反，使第一能谷光子晶体和第二能谷光子晶体拓扑性质相反。本发明不仅具有高Q值，而且对缺陷或杂质具有鲁棒性。

技术研发人员：李国辉,赵淑敏,冀婷,崔艳霞
受保护的技术使用者：太原理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13