连续波钙钛矿极化激元激光器与激光芯片及制作方法

本发明涉及光电器件，尤其涉及一种可在连续泵浦模式下工作的低阈值钙钛矿极化激元激光器与激光芯片及制作方法。

背景技术：

1、当半导体中的激子和受光学微腔限制的腔光子之间的耦合强度大于激子和腔光子的衰减时，它们之间可以形成一种杂化准粒子-激子极化激元。这种极化激元是由激子和光子之间的相互作用而形成的，表现为半光半物质的杂化态，当密度到达一定程度后，随着极化激元之间相互散射释放声子，它们凝聚到最低的量子能态，并伴随着其中的光子成分从光学微腔中泄露出来，形成了极化激元激光。相比于传统的半导体激光，极化激元激光并不需要粒子数反转就可实现，因此理论上其阈值相对于光子激光低1-2个数量级，更有利于连续波激光的产生。

2、在极化激元激光增益介质的选择上，无机半导体的介电常数较高且空穴有效质量较低，其激子束缚能较小，一般小于或约等于10mev，在室温下容易热解为自由电子空穴对，导致一般只有在较低的温度下才能观测到激子极化激元凝聚现象，如gaas和cdte实现极化激元凝聚的温度在～10k左右，极大得限制了激子极化激元的发展和应用。相比之下，有机材料的激子类型大多数是弗兰克尔(frenkel)激子，具有很弱的介电屏蔽，因此有机材料中的激子往往具有很大的束缚能，通常为数百mev，还具有较大的振子强度，能够观测到激子极化激元凝聚的临界温度更高。然而有机材料较弱的非线性效应和结构不均匀性限制了激子极化激元的空间范围和寿命。局域的弗兰克尔机激子之间的库伦相互作用较弱，导致极化激元之间的散射作用变弱，迟滞了激子极化激元的凝聚。因此有机材料的极化激元激光往往具有较大的阈值，有时甚至大于依靠粒子数反转的受激辐射激光阈值。

3、金属卤化物钙钛矿具有优异的光电性能，同时能够通过溶液法制备，结晶温度较低，加工简便且成本低廉。这些优势使其成为目前最受关注的发光和能源转换材料之一，在led和太阳能电池等领域均取得了广泛的应用。然而钙钛矿激光领域的受关注程度仍相对较低，尤其是在极化激元激光方向。值得注意的是，钙钛矿拥有高光吸收系数、长载流子扩散长度、低非辐射复合速率、高缺陷容忍度和易调节的发光波长。同时钙钛矿材料通常具有大于室温热动能的激子束缚能和较高的激子浓度。这些都使得钙钛矿材料在极化激元激光方向有良好的应用前景，使其成为研究光与物质相互作用的潜在材料。

4、虽然曾有研究报道了钙钛矿极化激元激光，但这些激光都是在脉冲光泵浦的情况下产生的，而连续光(continuous-wave,cw)泵浦钙钛矿激光是迈向电泵浦钙钛矿激光的必经之路。因此如何实现连续波钙钛矿极化激元激光是一个重要技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了连续波钙钛矿极化激元激光器与激光芯片及制作方法，通过在光学微腔中引入钙钛矿增益介质，促进激子与光子之间形成强耦合关系，进一步通过调节腔模式与极化激元模式之间的失谐度，调控激子极化激元性质，使得微腔在连续波泵浦下可产生激光，实现超低阈值的连续相干光源。

2、连续波钙钛矿极化激元激光器，包括光学微腔、间隔层和增益介质，其中增益介质均匀分布在微腔内。

3、所述增益介质为钙钛矿材料或包含钙钛矿材料的混合材料，形式为薄膜、微晶、荧光粉、纳米晶体、量子点或单晶，厚度为10nm～1mm。

4、作为优选，所述钙钛矿材料的组分为a’2an-1bnx3n+1或abx3，其中a’为有机胺离子，a为一价阳离子，b为二价金属阳离子，x为阴离子，n为正整数。

5、作为优选，所述a’为苯乙基胺(pea+)、丁胺(ba+)、乙胺(ea+)中的一种或多种的组合；a铯离子(cs+)、甲胺离子(ma+)、甲脒离子(fa+)、乙胺离子(ea+)、胍离子(ga+)、异丙基胺离子(ipa+)中的一种或多种的组合；b为铅离子(pb2+)、锡离子(sn2+)、锗离子(ge2+)、铟离子(in2+)、铋离子(bi2+)中的一种或多种的组合；x为氯离子(cl-)、溴离子(br-)、碘离子(i-)中的一种或多种的组合。

6、作为优选，所述混合材料包括钙钛矿材料，以及有机材料、量子点材料、氧化物材料、iii-v族材料、ii-vi族材料、稀土材料中的一种或多种。

7、作为优选，光学微腔类型为分布式布拉格反射器(dbr)、分布式反馈布拉格光栅(dfb)、光子晶体(pc)、连续束缚态结构(bic)或回音壁模式(wgm)。

8、连续波钙钛矿极化激元的激光芯片，包括所述连续波钙钛矿极化激元激光器、电驱动光源和电源。所述连续波钙钛矿极化激元激光器的微光学腔固定在电驱动光源上。所述电驱动光源作为激光器微光学腔的泵浦。所述电源与电驱动光源连接，驱动电驱动光源发光。

9、作为优选，所述电驱动光源为商用iii-v族发光二极管(led)、有机发光二极管(oled)、量子点发光二极管(qd-led)、钙钛矿发光二极管(peled)、微型发光二极管(micro-led)、激光二极管(ld)、卤钨灯中的一种或多种的组合。

10、作为优选，所述微光学腔通过键合、胶合、焊接、镀膜或光刻的方式固定在电驱动光源上。

11、连续波钙钛矿极化激元激光器的制备方法，具体包括以下步骤：

12、步骤1、制备光学微腔

13、步骤2、制备钙钛矿材料和激光器

14、将a’x、ax、bx2和分子添加剂溶于溶剂中，得到钙钛矿前驱体溶液。通过溶液法制备钙钛矿材料及激光器件，将钙钛矿溶液注入光学微腔，并放置在热台上缓慢加热，利用升温结晶法获得钙钛矿单晶，形成钙钛矿微腔器件。

15、作为优选，在石英、蓝宝石或者柔性衬底pet上，利用溅射或者电子束蒸镀法沉积多层二氧化硅(sio2)/二氧化钛(tio2)的介质层，形成具有高反射率的分布式布拉格反射镜(dbr)。每层介质膜的厚度为λ/4n，其中λ为增益介质发光中心波长，n为介质层材料的折射率。利用热蒸镀在一个dbr反射镜上沉积周期性的金属柱阵列，金属柱的高度为10nm～1mm。金属柱的高度决定了光学微腔的腔长，从而可以有效调节腔模式与激子模式之间的失谐度。另一个dbr反射镜朝下面对面按压到沉积有金属柱阵列的dbr上，并给予一定的压力进行按压，形成垂直微腔表面发射激光(vcsel)结构。

16、作为优选，通过旋涂法得到钙钛矿薄膜。

17、作为优选，通过蒸镀、mocvd、ald、喷墨打印、气相沉积、磁控溅射、固态反应制备钙钛矿薄膜与激光器件。

18、作为优选，所述溶剂为dmf、dmso、gbl、dma中的任意一种或多种混合。

19、作为优选，所述分子添加剂为聚合物、小分子、氧化物中的一种或多种混合。

20、作为优选，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲(pmma)、聚乙二醇(peg)、聚氧化乙烯(peo)、聚乙烯吡咯烷酮(pvp)，小分子为溴化钾(kbr)、硫氰酸钾(kscn)、硫氰酸胍(gascn)，氧化物为niox、zno、sno2。

21、连续波钙钛矿极化激元激光芯片的制备方法，采用uv环氧树脂，通过将钙钛矿微腔直接附着在商用氮化镓(gan)led上，形成钙钛矿激光芯片。gan led作为钙钛矿微腔的泵浦，由电源驱动。

22、本发明具有以下有益效果：

23、1、本方法采用溶液法及其他低成本方法制备高质量钙钛矿增益介质，并通过优化界面优化钙钛矿材料质量，有效抑制了钙钛矿薄膜的晶界缺陷和光子散射损耗问题，降低了激光器件的内部损耗。

24、2、本方法结合高品质光学微腔，促进激子与光子之间的强耦合，制备钙钛矿极化激元激光器件具有极低的阈值，在很低功率的泵浦条件下即可发射激光光束。其阈值比传统半导体激光器的阈值低1-3个数量级，其未经优化的激光阈值可达到1-10w/cm2或以下，优化后可达到0.1-1w/cm2或以下。在脉冲光泵浦下未经优化的激光阈值可达到1μj/cm2或以下，优化后可达到0.1μj/cm2或以下。

25、3、本方法通过光学微腔实现震荡反馈，促进钙钛矿材料中的激子与光子之间的强相互作用，调节增益介质的厚度，实现光学微腔中激子极化激元的微观性质调控，增强其向基态凝聚的趋势，在连续波泵浦模式下即可形成激光出射，其激子寿命可达到1ps-100ms。

26、4、本方法制备的钙钛矿激光器可与各类非相干或相干光源(如商用iii-v族发光二极管(led)、有机发光二极管(oled)、量子点发光二极管(qd-led)、钙钛矿发光二极管(peled)、微型发光二极管(micro-led)、激光二极管(ld)、卤钨灯等)结合，构筑电泵浦的钙钛矿激光芯片。

27、5、本方法制备的激光器件具有较好的时间和空间相干性，和良好的偏振特性，可进一步用于低阈值相干光源、慢光器件、量子计算、光计算、光子芯片、光电子集成等领域。