長期以來，工程師們一直致力于為硅芯片制造小型、高效的激光器，這對于先進的光通信和計算至關重要。傳統(tǒng)激光器使用昂貴的 III-V 族半導體，難以與硅集成。全無機鈣鈦礦薄膜提供了一種更便宜、用途廣泛的替代品，具有很強的光學性能。然而，一個關鍵的挑戰(zhàn)是，在室溫下，鈣鈦礦激光器難以連續(xù)運行，因為它們會因俄歇（Auger）復合而迅速失去電荷載流子。

浙江大學和先進材料與化學工程研究所的研究人員開發(fā)了一種簡單的方法來克服這一挑戰(zhàn)，使鈣鈦礦激光器在近乎連續(xù)運行下的性能創(chuàng)下了記錄。新方法在多晶鈣鈦礦薄膜的退火過程中使用揮發(fā)性銨添加劑。這種添加劑會觸發(fā)“相重建”，去除不需要的低維相，減少加速俄歇復合的通道。其結果是產生純3D結構鈣鈦礦，可以更好地保留激光所需的電荷載流子，而不會增加顯著的光學損耗。

為了評估這種改進，該團隊分析了電子和空穴在不同泵浦條件下如何重新結合。當輸入光以較長的脈沖或連續(xù)光束傳遞時，俄歇復合—來自復合電子-空穴對的能量被提供給另一個載流子而不是作為光發(fā)射—變得特別成問題。在這些情況下，載流子注入發(fā)生的時間尺度與俄歇壽命相似或更長，導致載流子快速損失并防止激光所需的群體反轉的積累。通過抑制這一過程，研究人員能夠維持高效受激發(fā)射所需的載流子密度。

利用優(yōu)化的薄膜，該團隊構建了單模垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL），在準連續(xù)納秒泵浦下實現(xiàn)了17.3 μJ/cm2 的低激光閾值和令人印象深刻的 3850 質量因數(shù)。據(jù)報道，這一性能標志著鈣鈦礦激光器在該狀態(tài)下迄今為止報告的最佳性能。

這些結果強調了制造高性能鈣鈦礦激光器的實用途徑，這些激光器可以在真正的連續(xù)波或電力驅動條件下工作，這是它們集成到未來光子芯片和潛在的柔性或可穿戴光電器件中的關鍵里程碑。