基于Ag2Se 量子點(diǎn)的近紅外自組裝激光器*

廖晨 姚寧 唐路平 施偉華? 孫少凌 楊浩然

1) (南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院、柔性電子(未來技術(shù))學(xué)院,南京 210023)

2) (南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,南京 210037)

3) (東南大學(xué)MEMS 教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,SEU-FEI 納皮米中心,南京 210096)

4) (東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,教育部“信息顯示與可視化”國際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室,南京 210096)

鉛鹽量子點(diǎn)的最低量子態(tài)的多重簡并和膠體量子點(diǎn)與諧振腔耦合難度大,阻礙了近紅外膠體量子點(diǎn)激光器的發(fā)展.本文利用基于Ag2Se 量子點(diǎn)的自組裝激光器解決了上述問題.利用最低量子態(tài)二重簡并的Ag2Se量子點(diǎn)代替鉛鹽量子點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)低閾值的近紅外光增益.使用有限元法深入分析了咖啡環(huán)微腔的模場分布和振蕩機(jī)制,結(jié)果表明光場在橫截面內(nèi)沿之字形路徑傳播振蕩,量子點(diǎn)與腔模式實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)耦合.分析了腔長與自由光譜范圍和激光發(fā)射波長的關(guān)系,基于此關(guān)系以及Ag2Se 量子點(diǎn)的增益譜特性設(shè)計(jì)了單模近紅外激光器,分析了該激光器的激光特性.以仿真結(jié)果為指導(dǎo),實(shí)驗(yàn)制備了閾值低至158 μJ/cm2,線寬為0.3 nm 的單模近紅外激光器.通過增加激光器腔長,使發(fā)射波長從1300 nm 增至1323 nm.此外,由于Ag2Se 量子點(diǎn)的毒性幾乎可以忽略,所以本文推進(jìn)了環(huán)境友好的近紅外激光器向?qū)嵱眯图す馄靼l(fā)展.

1 引言

近紅外激光器在光通信[1,2]、集成光電子[3]以及生物醫(yī)學(xué)[4,5]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用.受益于量子限域效應(yīng),半導(dǎo)體量子點(diǎn)作為光增益材料展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢,如潛在的低激光閾值、隨尺寸可調(diào)諧的發(fā)射波長和幾乎溫度不敏感的激光特性等[6–10].近紅外量子點(diǎn)激光器最初是通過采用III-V 族外延量子點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的[11],基于此類量子點(diǎn)的激光器已經(jīng)達(dá)到了成熟的水平.與外延量子點(diǎn)相比,膠體量子點(diǎn)可獲得更小的尺寸,因而具有更強(qiáng)的量子限域效應(yīng)[6].此外,膠體量子點(diǎn)易于集成在多種襯底上: 平面的或彎曲的;剛性的或柔性的;無機(jī)的或有機(jī)的[12].

目前,最常見的近紅外發(fā)射膠體量子點(diǎn)為鉛鹽(PbS 和PbSe)量子點(diǎn).這種量子點(diǎn)的最低量子態(tài)具有8 重簡并特性,意味著平均每個(gè)量子點(diǎn)內(nèi)的激子數(shù)需超過4 才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)[13],且高階多激子的俄歇復(fù)合速率遠(yuǎn)快于雙激子俄歇復(fù)合[14].這大大提高了鉛鹽量子點(diǎn)的光增益閾值,限制了光增益壽命[13,15].此外,鉛的固有毒性對環(huán)境和人類健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn),阻礙了鉛鹽量子點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用.需要尋找一種新型膠體量子點(diǎn)以實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好的低閾值近紅外激光.近年來,低毒性的Ag2Se 量子點(diǎn)因其在整個(gè)近紅外波段連續(xù)可調(diào)的發(fā)射而受到廣泛關(guān)注[16,17].之前的研究實(shí)驗(yàn)證實(shí)了Ag2Se 量子點(diǎn)的最低量子態(tài)只有二重簡并,可以在室溫下實(shí)現(xiàn)低閾值的近紅外光增益[18],并且證明了Ag2Se 量子點(diǎn)的增益閾值和增益波長對溫度幾乎不敏感[19].優(yōu)異的光增益特性和幾乎可忽略的毒性表明了Ag2Se 量子點(diǎn)非常適于制備環(huán)境友好的低閾值近紅外激光器.

光學(xué)微腔作為微米級光學(xué)諧振腔,因其具有高品質(zhì)因子和小模式體積等優(yōu)點(diǎn),在集成光電子中占據(jù)著不可替代的地位.膠體量子點(diǎn)與諧振腔之間的高效耦合是實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)激光器的關(guān)鍵[20].常用的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSELs)[21,22]、回音壁模式激光器(WGM)(例如微盤、微環(huán)和微球)[23–25]以及分布式反饋(DFB)[2]激光器的制備過程涉及到高溫、強(qiáng)酸等條件,這些可能導(dǎo)致膠體量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)的破壞,進(jìn)而影響其光學(xué)性能.此外,膠體量子點(diǎn)表面以及游離的配體,也會(huì)對諧振腔的質(zhì)量產(chǎn)生不利影響.目前常用的方法是先制備腔結(jié)構(gòu),再通過溶液加工(如自旋涂覆或浸漬)將膠體量子點(diǎn)直接覆于其上.這種方法存在兩個(gè)主要問題: 一是量子點(diǎn)直接覆蓋在微腔表面與腔模式耦合效率較低[26,27];二是在微腔表面涂覆量子點(diǎn)層后會(huì)導(dǎo)致品質(zhì)因子相對于原有結(jié)構(gòu)顯著降低[28].需要尋找一種工藝簡單且與膠體量子點(diǎn)兼容性良好的光學(xué)微腔,以解決上述挑戰(zhàn)和難題.

咖啡環(huán)微腔可作為一種潛在的解決方案,其形成原理是膠體量子點(diǎn)分散液在蒸發(fā)過程中受“咖啡環(huán)效應(yīng)”作用,使得量子點(diǎn)被驅(qū)動(dòng)自組裝堆積形成高密度的圓環(huán)結(jié)構(gòu),其邊界處的折射率驟變將帶來很強(qiáng)的光反饋[29].相比傳統(tǒng)膠體量子點(diǎn)激光器,咖啡環(huán)微腔的制備方式簡單可控,量子點(diǎn)與諧振腔耦合效率高.此外,咖啡環(huán)微腔能與其他器件集成、與多種基底相兼容,在激光作用下表現(xiàn)出高的穩(wěn)定性和抗降解性[30].基于咖啡環(huán)效應(yīng)的微腔激光器已用于實(shí)現(xiàn)有機(jī)柔性電子器件的集成,展現(xiàn)出良好的發(fā)展前景[31–33].結(jié)合Ag2Se 量子點(diǎn)的優(yōu)異光增益特性和咖啡環(huán)微腔的獨(dú)特結(jié)構(gòu)有望實(shí)現(xiàn)低閾值、高品質(zhì)和低成本的微型自組裝激光器.

本文在前期研究的基礎(chǔ)上,對基于Ag2Se 量子點(diǎn)咖啡環(huán)微腔進(jìn)行了深入研究.基于咖啡環(huán)微腔的橫截面建立仿真模型,分析了咖啡環(huán)微腔的振蕩機(jī)制;研究了腔結(jié)構(gòu)和量子點(diǎn)的增益特性對激光性能(閾值,發(fā)射波長,線寬)的影響;為實(shí)現(xiàn)高性能的激光器,對激光器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,最終設(shè)計(jì)并制備了激光發(fā)射波長位于近紅外第二窗口的低閾值激光器.

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 樣品制備

1) Ag2Se 量子點(diǎn)的制備: 本文采用溶劑熱合成法制備Ag2Se 量子點(diǎn),所需實(shí)驗(yàn)材料及具體步驟參照文獻(xiàn)[18].

2) Ag2Se 量子點(diǎn)激光器的制備: 將一小滴(0.2 μL)的濃度約為2 μmol/L 的Ag2Se 量子點(diǎn)甲苯分散液滴加到干凈的石英基底上,制作咖啡環(huán)微型激光器.液滴的蒸發(fā)動(dòng)力學(xué)受“咖啡環(huán)效應(yīng)”的支配,蒸發(fā)后將在基底上留下一個(gè)良好定義的微米尺寸的圓環(huán).

2.2 樣品表征

透射電子顯微鏡(TEM)圖和高分辨率TEM圖采用透射電子顯微鏡(Tecnai G2,FEI)測量,加速電壓為300 kV.用分光光度計(jì)(UV-3600,Shimadzu)測量吸收光譜.熒光光譜采用熒光光譜儀(FLS920,Edinburgh)進(jìn)行測量.用光學(xué)顯微鏡(Leica DM2500M)對咖啡環(huán)微腔的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征.用原子力顯微鏡(Banker Nano Multimode-8-AM)精確表征咖啡環(huán)微腔的橫截面形貌.使用的泵浦光源是800 nm 的飛秒激光器(100 fs,1 kHz,Legend-F-1k,Coherent),泵浦光通過匯聚透鏡垂直聚焦到樣品基底上(束腰半徑為40 μm).從基底邊緣處用光學(xué)多道分析儀(Acton Research Spectra-Pro-300i)收集和測量咖啡環(huán)微型激光器的發(fā)射信號(hào).所有測量都在室溫下進(jìn)行.

3 微腔結(jié)構(gòu)

采用溶劑熱合成法制備Ag2Se 量子點(diǎn).Ag2Se量子點(diǎn)的TEM 圖如圖1(a)所示,其平均粒徑約為3.2 nm.高分辨率TEM 圖(插圖)表明了良好的結(jié)晶性,其晶格間距為0.24 nm,與斜方晶相Ag2Se 量子點(diǎn)的(013)晶面間距一致.如圖1(b)所示,Ag2Se 量子點(diǎn)的第一激子吸收峰和熒光(PL)峰分別位于980 nm 和1245 nm.量子點(diǎn)的PL 峰相對于第一激子吸收峰表現(xiàn)出較大的紅移(265 nm),有利于獲得低閾值的光學(xué)增益,這是因?yàn)榘l(fā)射波長處的吸收減少.利用“咖啡環(huán)效應(yīng)”制備基于Ag2Se量子點(diǎn)的自組裝微腔.將一小滴Ag2Se 量子點(diǎn)甲苯分散液滴加在石英基底上.在溶劑蒸發(fā)過程中,液滴的外部接觸線與基底表面釘扎,因液滴蒸發(fā)的不均勻性,引起了顯著的毛細(xì)補(bǔ)償流,從而將Ag2Se量子點(diǎn)輸送至邊緣,并形成環(huán)形沉積物[34].當(dāng)積累的物質(zhì)超過液面的高度時(shí),接觸線分離,留下了一個(gè)輪廓分明的固體環(huán)狀結(jié)構(gòu)[29].圖1(a)展示了沉積形成的咖啡環(huán)自組裝微腔的光學(xué)顯微鏡圖,環(huán)直徑約為950 μm,寬度約為10 μm.圖1(b)中原子力顯微鏡(AFM)圖表明,環(huán)的形狀在幾十微米的長度上是均勻的,高度幾乎恒定,約為1 μm.AFM的橫截面圖(圖2(a)實(shí)線)顯示了輪廓清晰的邊界,內(nèi)側(cè)斜率約為 45°,外側(cè)斜率約為 10°,外邊界的傾角對應(yīng)于在接觸線分離之前蒸發(fā)液滴與石英基底的接觸角[35].環(huán)的高度主要受兩個(gè)因素影響,一方面由Ag2Se 量子點(diǎn)溶液的濃度決定,另一方面與溶液蒸發(fā)過程中接觸線保持的時(shí)間有關(guān)[36].甲苯溶液蒸發(fā)過程較慢,使得接觸線固定的時(shí)間更長,進(jìn)而咖啡環(huán)中積累的物質(zhì)更多,有利于形成較高的環(huán)狀物.值得強(qiáng)調(diào)的是,接觸線的保持時(shí)間與基底的清潔度密切相關(guān)[30].液滴在含有雜質(zhì)的基底上的不均勻傳播會(huì)增加液體在表面上停留的時(shí)間,從而導(dǎo)致接觸線破裂,降低了物質(zhì)的堆積高度,影響整體的均勻性.

圖1 (a) Ag2Se 量子點(diǎn)的TEM 圖和高分辨率TEM 圖(插圖);(b) Ag2Se 量子點(diǎn)在四氯乙烯中的吸收(Abs)光譜和熒光(PL)光譜;(c) Ag2Se 量子點(diǎn)咖啡環(huán)的光學(xué)顯微鏡圖;(d)圖(c)中咖啡環(huán)左上部分AFM 圖Fig.1.(a) TEM and high-resolution TEM (inset) images of Ag2Se QDs;(b) absorption and PL spectra of Ag2Se QDs in tetrachloroethylene;(c) optical microscope image of an Ag2Se quantum dots coffee-ring;(d) AFM image of the top-left part of the coffee-ring shown in panel (c).

圖2 (a)凈模式增益 gmod=0 時(shí)咖啡環(huán)微腔的光場分布圖;(b)微腔的駐波場分布圖;(c)腔長分別為9.2,7.9 和7.1 μm 的咖啡環(huán)微腔的發(fā)射譜;(d)咖啡環(huán)微腔的FSR 與腔長的關(guān)系(圓點(diǎn)),實(shí)線是標(biāo)準(zhǔn)F-P 腔的FSRFig.2.(a) Optical field distribution of the coffee-ring microcavity with the net mode gain gmod=0 ;(b) standing wave field distribution in coffee-ring microcavity;(c) emission spectra with different cavity lengths of 9.2,7.9 and 7.1 μm,respectively;(d) relationship between the FSR of the coffee-ring microcavity and the cavity length (dots).The solid line is the FSR of the standard F-P cavity.

4 討論與分析

4.1 理論分析

為研究制備的咖啡環(huán)微腔的激光特性,對該自組裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元法數(shù)值模擬(使用Comsol Multiphysics 6.1 軟件).所述自組裝結(jié)構(gòu)的橫截面輪廓如圖2(a)中的實(shí)線所示.考慮到計(jì)算復(fù)雜度,假設(shè)該截面在第3 個(gè)空間方向上保持不變,即通過有限的泵浦光斑尺寸引起的增益引導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)模式限制,將仿真從三維問題簡化為二維問題.由于泵浦光斑尺寸(束腰半徑40 μm)遠(yuǎn)小于環(huán)直徑(950 μm),所以不會(huì)形成回音壁模式.在20 μm×20 μm 的計(jì)算域邊界上,使用波動(dòng)光學(xué)頻域模塊并設(shè)置散射邊界條件,以消除出射光對數(shù)值模擬結(jié)果的影響.同時(shí),在咖啡環(huán)橫截面輪廓邊緣設(shè)置極細(xì)網(wǎng)格以確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性.鑒于所述自組裝結(jié)構(gòu)高的堆積密度,我們估計(jì)微腔的折射率實(shí)部nr為2.9;圖2(a)所示的咖啡環(huán)橫截面在x方向上的最大延展量約為7.9 μm,高度約為1 μm.計(jì)算域上層是空氣層,折射率為1;下層是石英基底,折射率為1.447.

首先分析咖啡環(huán)微腔的振蕩方式.為了簡單起見,此處暫將所有計(jì)算波長的凈模式增益gmod都設(shè)為0.圖2(a)展示了使用內(nèi)部電場激發(fā)的模場圖(TE 模),得到該結(jié)構(gòu)在1310 nm 處的二維光場分布.可以發(fā)現(xiàn)光場在橫截面內(nèi)外兩側(cè)反射振蕩,咖啡環(huán)即構(gòu)成諧振腔又是增益介質(zhì),模場主要分布在腔內(nèi)部,因而和量子點(diǎn)有高的耦合效率.外側(cè)邊界的高度降低導(dǎo)致光場強(qiáng)度的顯著增強(qiáng),在腔的尖端處有最高的電場強(qiáng)度[37].圖2(b)給出了沿光場傳播方向的Ez場分布,揭示了腔內(nèi)的駐波場分布特性.由圖可知,光場在咖啡環(huán)微腔內(nèi)部的振蕩方式和法布里-珀羅(F-P)腔相似,在兩個(gè)端面間反射振蕩.由于兩者結(jié)構(gòu)不同,標(biāo)準(zhǔn)的F-P 腔通常由兩個(gè)平行反射鏡組成,而咖啡環(huán)微腔邊緣具有一定傾角,光場因量子點(diǎn)和空氣的折射率差別被限制在腔內(nèi),使得兩者在振蕩方式也存在差異.通過計(jì)算透過計(jì)算域邊界的坡印亭矢量的通量可獲得微腔的發(fā)射譜,將腔長定義為咖啡環(huán)的橫截面在x方向上的最大延展量,針對可變腔長進(jìn)行參數(shù)化掃描來獲得不同腔長的發(fā)射譜.圖2(c)展示了不同腔長的微腔發(fā)射譜,腔長為7.1 μm,7.9 μm 和9.2 μm 的微腔在1310 nm 附近的自由光譜范圍(FSR)分別為40.9 nm,36.2 nm 和31.5 nm.隨著腔長的增大,咖啡環(huán)微腔的FSR 減少,這與F-P 腔相似.發(fā)射線寬隨腔長的增大而略微減小,是因?yàn)楦蟮那粨碛懈鼜?qiáng)的光場限制因子.為了進(jìn)一步探究咖啡環(huán)微腔的振蕩機(jī)制,將其與標(biāo)準(zhǔn)F-P 腔的自由光譜范圍進(jìn)行比較,如圖2(d)所示,腔長為7.1—9.5 μm 咖啡環(huán)微腔的FSR 為5.4—7.3 THz,對應(yīng)于1310 nm附近31—41 nm.根據(jù) ΔFSR=c0/2nrL,可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)F-P 腔的FSR,式中c0表示真空中光速,nr是微腔材料的折射率實(shí)部,L為腔長.在相同腔長的情況下,咖啡環(huán)微腔的FSR 均小于F-P 腔,這表明咖啡環(huán)微腔的光場實(shí)際路徑比橫截面在x方向的最大延展量更長,導(dǎo)致相鄰模式的頻率間隔更小.這證明了微腔內(nèi)部的光場傳播路徑為之字形,表明在環(huán)的橫向截面中提供了光反饋.

為分析Ag2Se 量子點(diǎn)的光增益特性對激光性能的影響,引入了可變高斯型增益來模擬實(shí)驗(yàn)中不同的泵浦強(qiáng)度并精確預(yù)測咖啡環(huán)微腔的激光模式[2].圖3(a)中實(shí)線為Ag2Se 量子點(diǎn)的線性吸收譜,通過從吸收系數(shù)中減去振幅為g的可變高斯型增益,將增益引入微腔材料的復(fù)折射率中:

圖3 (a) Ag2Se 量子點(diǎn)的線性吸收譜(實(shí)線)以及考慮可變高斯型增益的吸收譜;(b)不同凈模式增益的微腔發(fā)射譜;(c)gmod,1310nm=650 cm-1的咖啡環(huán)微腔的光場分布圖;(d)不同腔長的咖啡環(huán)微腔的歸一化發(fā)射譜Fig.3.(a) Linear absorption spectrum of Ag2Se quantum dot (solid line) and absorption spectrum with variable Gaussian gain;(b) emission spectra of microcavity with different net mode gain;(c) light field distribution of the coffee-ring microcavity spectrum with gmod,1310nm=650 cm-1 ;(d) normalized emission spectra with different cavity lengths.

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

通過改變分散液的濃度獲得了不同腔長的咖啡環(huán)微型激光器.圖4(a)為激光特性的表征光路示意圖.腔長約為9.2 μm 咖啡環(huán)微型激光器的激光發(fā)射譜如圖4(b)所示,該激光器在1310 nm 附近的FSR 約為31 nm,與仿真一致.圖4(c)展示了腔長約為7.9 μm 的咖啡環(huán)微型激光器在泵浦通量低于(84 μJ/cm2)和高于(230 μJ/cm2)閾值時(shí)的激光發(fā)射譜,該微型激光器在室溫下表現(xiàn)出近紅外(1310 nm)單模發(fā)射和158 μJ/cm2的低閾值(圖4(c)插圖).我們的微型激光器的激光閾值遠(yuǎn)低于發(fā)射波長相似的PbS 量子點(diǎn)DFB 激光器(770 μJ/cm2)[2],也低于報(bào)道的重電子摻雜的PbS/PbSSe 核/合金殼量子點(diǎn)激光器(160 μJ/cm2)[40],據(jù)我們所知,該激光器是目前激光閾值最低的近紅外膠體量子點(diǎn)激光器.咖啡環(huán)微型激光器的激光發(fā)射譜如圖4(d)所示,通過改變激光器腔長,激光發(fā)射波長可以從1300 nm 增大到1323 nm,對應(yīng)于23 nm 的波長范圍,復(fù)現(xiàn)了仿真結(jié)果.激光發(fā)射峰的線寬約為0.3 nm,稍寬于仿真,這可能是由于微腔腔長在第3 方向的微小變化引起的.圖4(e)展示了發(fā)射峰值波長不同的微腔的激光閾值,當(dāng)峰值波長為1310 nm 與Ag2Se 量子點(diǎn)的增益峰吻合時(shí),咖啡環(huán)微型激光器的泵浦閾值最低,為158 μJ/cm2.相鄰波長閾值稍有升高是由于模式增益減弱導(dǎo)致的.泵浦強(qiáng)度也可以用量子點(diǎn)平均激子占有率(〈N〉=σabsjP)表示,其中σabs為量子點(diǎn)吸收截面,jP是泵浦光子通量.我們制備的Ag2Se 量子點(diǎn)在800 nm 處的平均吸收截面估計(jì)為2.3×10–15cm2,則158 μJ/cm2對應(yīng)激光閾值〈N〉≈1.5,僅略高于最低態(tài)為二重簡并的量子點(diǎn)考慮了泊松分布的理論增益閾值(〈N〉=1.15)[41].咖啡環(huán)微型激光器的較低閾值可歸因于以下3 個(gè)因素: 1) Ag2Se 量子點(diǎn)最低量子態(tài)的二重簡并;2) Ag2Se 量子點(diǎn)與咖啡環(huán)微腔的高效耦合;3)“咖啡環(huán)效應(yīng)”導(dǎo)致的高量子點(diǎn)堆積密度[18,30].與之前的研究一致[30],使用相同的沉積參數(shù)沉積的咖啡環(huán)的激光發(fā)射峰位展現(xiàn)出良好的一致性.如圖4(f)所示,在230 μJ/cm2的泵浦下,咖啡環(huán)微型激光器在多達(dá)3.6 × 106個(gè)泵浦脈沖(60 min)的輻照后仍保留其初始強(qiáng)度的90%,表明其良好的光穩(wěn)定性.在一個(gè)月后測量樣品的發(fā)射特性幾乎沒有改變,表明咖啡環(huán)微型激光器具有杰出的抗降解性.

圖4 (a)咖啡環(huán)微型激光器性能表征示意圖;(b)腔長為9.2 μm 的咖啡環(huán)微型激光器在激光閾值以上的發(fā)射譜;(c)腔長為7.9 μm的咖啡環(huán)微型激光器在不同光強(qiáng)泵浦下的發(fā)射譜.插圖: 激光峰處發(fā)射強(qiáng)度隨泵浦光強(qiáng)的變化;(d)不同腔長的咖啡環(huán)微型激光器的歸一化激光發(fā)射譜;(e)激光閾值(圓點(diǎn))與峰值波長的關(guān)系;(f)咖啡環(huán)微型激光器的激光發(fā)射峰處的發(fā)射強(qiáng)度隨激光脈沖數(shù)的變化Fig.4.(a) Sketch of coffee-ring microlaser performance characterization;(b) emission spectrum of a coffee-ring microlaser with a cavity length of 9.2 μm;(c) emission spectra of the cavity length of 7.9 μm coffee-ring microlaser with different pump fluence.The inset shows emission intensity versus pump fluence at the position of lasing peak;(d) normalized laser emission spectra of the coffeering microlaser with different cavity lengths;(e) lasing threshold (circles) versus peak wavelength;(f) emission intensity versus laser shots at position of laser peak observed for a coffee-ring microlaser.

5 結(jié)論

本文利用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics 詳細(xì)研究了咖啡環(huán)微腔的振蕩方式,以及腔結(jié)構(gòu)和Ag2Se 量子點(diǎn)的增益特性對激光性能的影響.證明了咖啡環(huán)微腔與Ag2Se 量子點(diǎn)存在強(qiáng)的光學(xué)耦合,光場在微腔橫截面內(nèi)沿之字形路徑傳播振蕩.通過引入可變高斯型增益來精確預(yù)測咖啡環(huán)微腔的激光模式,設(shè)計(jì)近紅外單模激光器,并分析性能.最后,參照仿真結(jié)果,實(shí)驗(yàn)制備了單模近紅外的Ag2Se 量子點(diǎn)咖啡環(huán)微型激光器,通過增加激光器的腔長,使發(fā)射波長從1300 nm 增加到1323 nm.線寬為0.3 nm,閾值低至158 μJ/cm2,是目前激光閾值最低的近紅外膠體量子點(diǎn)激光器.結(jié)果表明,本文制備的激光器具有低閾值、環(huán)境友好和制備簡單等優(yōu)點(diǎn),在集成光子和光通信等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力.