中科院纳米能源所&东南大学：压电极化效应诱导微腔折射率变化实现ZnO回音壁激光模式动态调控与单模输出

【引言】

由于其在军事国防、生物医疗、信息通讯、工业制造等领域有着巨大的潜在应用，激光器的研发一直以来备受人们的关注。作为其中最为重要的一个分支，半导体激光器利用半导体晶体的解理面形成的反射镜面作为谐振腔，使光振荡、反馈、产生光的辐射放大，输出激光，具有体积小、寿命长、效率高，并与现有集成电路兼容、易于实现光电子集成等优势，成为国际学术界研究的热点方向。与传统激光器相比，设计和构建模式可调谐激光器作为其中最为重要的研究任务之一，也是拓展激光器应用范围的有效途径。当前，研发人员通过半导体能带工程、材料本身的自吸收效应、等离激元参与下的Burstein-Moss（BM）效应等技术手段，对激光模式结构进行调控。然而，这些调制的方法并不具备可逆性，而实现动态、可持续激光模式结构的调控仍缺乏有效的研究方案。此外，获得连续可调的单模激光输出更是鲜有报道。

作为一种直接带隙宽禁带（3.37 eV）半导体材料，ZnO具有高达60 meV的激子束缚能，已逐渐成为构建短波光电子器件的重要候选材料。尤其在紫外激光器件上的应用，体现出十分突出的本征物理优势。此外，由于六角纤锌矿结构ZnO沿极性面与非极性面的生长速率不同，导致ZnO材料很容易获得丰富的微纳结构，形成天然的光学微腔。另一方面，具有非中心对称结构的ZnO微纳米材料还具备特殊的压电性能，当材料受到外加应力时，正负电荷中心产生偏离，形成偶极矩。从而引起晶体内部的离子极化，导致介质介电常数的变化，对材料折射率形成有效调控。因此，有望实现动态、连续可调的激光模式输出，并获得单模激光输出。

【成果简介】

近日，中科院纳米能源所王中林院士、潘曹峰研究员团队和东南大学徐春祥教授团队联手，利用压电极化效应诱导的光学谐振腔自身折射率（介电常数）的变化，实现了动态、可调谐激光模式输出，可以有效进行模式选择、并获得单模激光输出。团队卢俊峰博士（第一作者）等人以ZnO WGM微腔为载体，结合材料固有的高激子束缚能和压电特性等物理优势，通过外部机械应变引起的微腔晶体内部的离子极化，调控ZnO谐振腔本身的折射率，实现动态、可持续调制的激光模式输出，并灵活地进行模式选择，最终实现单模激光输出；文中，我们系统分析了应变对ZnO折射率的影响，建立了应变与模式移动的对应关系，获得了超精确度的应力传感，相比较压阻效应引起的能带移动所导致的自发辐射谱的移动，其光谱分辨能力提升了一个数量级。该研究成果为动态调控相干光源提供了一种行之有效的方法，同时也为发展一种基于颜色分辨的应力传感元器件提供了一个新的思路。相关成果分别以“Piezoelectric Effect Tuning on ZnO Microwire Whispering-Gallery Mode Lasing”和“Dynamic Regulating of Single-Mode-Lasing in ZnO Microcavity by Piezoelectric Effect”发表在近期的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。

【图文导读】

图一 ZnO微米棒形貌、结构及光学性能表征

（a）ZnO微米棒SEM图

（b）单根ZnO微米棒元素Mapping

（c）单根ZnO微米棒固定在柔性PET衬底上的光学照片

（d）ZnO微米棒阵列X射线衍射谱，插图：单根ZnO微米棒截面

（e）ZnO微米棒阵列PL谱，插图：激射增益区

图二 激射特性与模式分析

（a-c）明场与产生激射前后暗场光学照片

（d）不同泵浦功率下的ZnO微米棒激射谱，插图：激射强度与半高宽随泵浦功率变化关系

（e）模式分析

图三 尺寸依赖的激射特性与仿真分析

（a）不同尺寸的激射谱

（b）自由光谱范围（FSR）与ZnO微腔的半径的关系

（c）ZnO微腔的品质因子（Q）与ZnO微腔的半径的关系

（d）不同尺寸ZnO微腔的SEM图

（e）不同尺寸ZnO微腔中基模电场分布

图四 测试光路与应力作用下的激射特性

（a）光路系统

（b）不用应变下的激光谱

（c）不同模式的位置与施加应变的依赖关系

（d）模式位置的变化量与施加应变的依赖关系

图五 应变参与下的PL与激光模式移动对比分析

（a）不同应变作用下的PL谱

（b）PL谱与激光模式位置变化量与施加应变的依赖关系

（c）不同应变下的归一化高斯拟合后的PL谱

（d）不同应变下的归一化TE₆₇模

（e）施加应变前后的ZnO能带结构图

（f）不同模式的折射率随施加应变变化关系

图六 单模激光输出与动态调控

（a）不同应变下的受激与自发辐射谱

（b）近带边辐射与激光模式变化量随施加应变的变化关系图

（c）不同应变下的受激与自发辐射Mapping

（d）拉伸应变（94%）与压缩应变（-0.96%）作用下的激射谱

（e）TE₁₇与TE₁₆模在不同应变下的折射率变化图

（f）TE₁₇和TE₁₆共振峰位与折射率关系随施加应变的变化图

图七 机理分析

（a）施加应变前的增益谱线与模式位置示意图

（b）施加应变后的增益谱线与模式位置示意图

（c）三种受力状态

（d）相对应的暗场发光照片

（e）相对应的激光模式位置

【小结】

研究人员发展了一种动态调控相干光源的新策略，并可以通过调制增益区间和模式位置实现单模输出。该项研究为设计和构建一类基于ZnO谐振模式结构变化的超灵敏应力传感器，并结合电学信号的探测，利用两者之间的优势互补，实现应力传感原型器件的多元化应用提供科学依据，也为后续新型光电双模态、非接触式应力传感器研发、光电及光子集成及其在光通信、人工智能等领域的应用提供重要的技术参考。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.8b06500

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

本文由中科院纳米能源所王中林院士、潘曹峰研究员团队供稿，材料人编辑部编辑。

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