中科院納米能源所&東南大學：壓電極化效應誘導微腔折射率變化實現ZnO回音壁激光模式動態調控與單模輸出

【引言】

由于其在軍事國防、生物醫療、信息通訊、工業制造等領域有著巨大的潛在應用，激光器的研發一直以來備受人們的關注。作為其中最為重要的一個分支，半導體激光器利用半導體晶體的解理面形成的反射鏡面作為諧振腔，使光振蕩、反饋、產生光的輻射放大，輸出激光，具有體積小、壽命長、效率高，并與現有集成電路兼容、易于實現光電子集成等優勢，成為國際學術界研究的熱點方向。與傳統激光器相比，設計和構建模式可調諧激光器作為其中最為重要的研究任務之一，也是拓展激光器應用范圍的有效途徑。當前，研發人員通過半導體能帶工程、材料本身的自吸收效應、等離激元參與下的Burstein-Moss（BM）效應等技術手段，對激光模式結構進行調控。然而，這些調制的方法并不具備可逆性，而實現動態、可持續激光模式結構的調控仍缺乏有效的研究方案。此外，獲得連續可調的單模激光輸出更是鮮有報道。

作為一種直接帶隙寬禁帶（3.37 eV）半導體材料，ZnO具有高達60 meV的激子束縛能，已逐漸成為構建短波光電子器件的重要候選材料。尤其在紫外激光器件上的應用，體現出十分突出的本征物理優勢。此外，由于六角纖鋅礦結構ZnO沿極性面與非極性面的生長速率不同，導致ZnO材料很容易獲得豐富的微納結構，形成天然的光學微腔。另一方面，具有非中心對稱結構的ZnO微納米材料還具備特殊的壓電性能，當材料受到外加應力時，正負電荷中心產生偏離，形成偶極矩。從而引起晶體內部的離子極化，導致介質介電常數的變化，對材料折射率形成有效調控。因此，有望實現動態、連續可調的激光模式輸出，并獲得單模激光輸出。

【成果簡介】

近日，中科院納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員團隊和東南大學徐春祥教授團隊聯手，利用壓電極化效應誘導的光學諧振腔自身折射率（介電常數）的變化，實現了動態、可調諧激光模式輸出，可以有效進行模式選擇、并獲得單模激光輸出。團隊盧俊峰博士（第一作者）等人以ZnO WGM微腔為載體，結合材料固有的高激子束縛能和壓電特性等物理優勢，通過外部機械應變引起的微腔晶體內部的離子極化，調控ZnO諧振腔本身的折射率，實現動態、可持續調制的激光模式輸出，并靈活地進行模式選擇，最終實現單模激光輸出；文中，我們系統分析了應變對ZnO折射率的影響，建立了應變與模式移動的對應關系，獲得了超精確度的應力傳感，相比較壓阻效應引起的能帶移動所導致的自發輻射譜的移動，其光譜分辨能力提升了一個數量級。該研究成果為動態調控相干光源提供了一種行之有效的方法，同時也為發展一種基于顏色分辨的應力傳感元器件提供了一個新的思路。相關成果分別以“Piezoelectric Effect Tuning on ZnO Microwire Whispering-Gallery Mode Lasing”和“Dynamic Regulating of Single-Mode-Lasing in ZnO Microcavity by Piezoelectric Effect”發表在近期的ACS Nano（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06500）和Materials Today（https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.12.001）上。

【圖文導讀】

圖一 ZnO微米棒形貌、結構及光學性能表征

（a）ZnO微米棒SEM圖

（b）單根ZnO微米棒元素Mapping

（c）單根ZnO微米棒固定在柔性PET襯底上的光學照片

（d）ZnO微米棒陣列X射線衍射譜，插圖：單根ZnO微米棒截面

（e）ZnO微米棒陣列PL譜，插圖：激射增益區

圖二 激射特性與模式分析

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（a-c）明場與產生激射前后暗場光學照片

（d）不同泵浦功率下的ZnO微米棒激射譜，插圖：激射強度與半高寬隨泵浦功率變化關系

（e）模式分析

圖三 尺寸依賴的激射特性與仿真分析

（a）不同尺寸的激射譜

（b）自由光譜范圍（FSR）與ZnO微腔的半徑的關系

（c）ZnO微腔的品質因子（Q）與ZnO微腔的半徑的關系

（d）不同尺寸ZnO微腔的SEM圖

（e）不同尺寸ZnO微腔中基模電場分布

圖四 測試光路與應力作用下的激射特性

（a）光路系統

（b）不用應變下的激光譜

（c）不同模式的位置與施加應變的依賴關系

（d）模式位置的變化量與施加應變的依賴關系

圖五 應變參與下的PL與激光模式移動對比分析

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（a）不同應變作用下的PL譜

（b）PL譜與激光模式位置變化量與施加應變的依賴關系

（c）不同應變下的歸一化高斯擬合后的PL譜

（d）不同應變下的歸一化TE₆₇模

（e）施加應變前后的ZnO能帶結構圖

（f）不同模式的折射率隨施加應變變化關系

圖六 單模激光輸出與動態調控

（a）不同應變下的受激與自發輻射譜

（b）近帶邊輻射與激光模式變化量隨施加應變的變化關系圖

（c）不同應變下的受激與自發輻射Mapping

（d）拉伸應變（94%）與壓縮應變（-0.96%）作用下的激射譜

（e）TE₁₇與TE₁₆模在不同應變下的折射率變化圖

（f）TE₁₇和TE₁₆共振峰位與折射率關系隨施加應變的變化圖

圖七 機理分析

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（a）施加應變前的增益譜線與模式位置示意圖

（b）施加應變后的增益譜線與模式位置示意圖

（c）三種受力狀態

（d）相對應的暗場發光照片

（e）相對應的激光模式位置

【小結】

研究人員發展了一種動態調控相干光源的新策略，并可以通過調制增益區間和模式位置實現單模輸出。該項研究為設計和構建一類基于ZnO諧振模式結構變化的超靈敏應力傳感器，并結合電學信號的探測，利用兩者之間的優勢互補，實現應力傳感原型器件的多元化應用提供科學依據，也為后續新型光電雙模態、非接觸式應力傳感器研發、光電及光子集成及其在光通信、人工智能等領域的應用提供重要的技術參考。

文獻鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06500

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702118308812?via%3Dihub

本文由中科院納米能源所王中林院士、潘曹峰研究員團隊供稿，材料人編輯部編輯。

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