动态调控相干光发射及其应用研究

The change of the refractive index (or dielectric constant) of the optical resonator induced by piezoelectric polarization effect creates an effective approach to realize dynamic and tunable lasing mode output, mode selection and single-mode lasing. In this project, single ZnO whispering-gallery mode (WGM) microcavity will be used as a carrier. Combining with the physical advantages such as intrinsic high exciton binding energy and piezoelectric effect of wurtzite ZnO, the refractive index of the optical resonator can be tuned by the applied external mechanical strain, and leading to the dynamic and sustainable modulation of the lasing mode output, the flexible mode selection and the realization of single-mode lasing output. On this basis, the dual-modal, non-contact and multi-channel strain sensors with both photo-response and electrical-response have been designed and fabricated. Also, a series of techniques, including transient absorption, transient optoelectronic properties, and transient fluorescence will be employed to analyze the effect of build-in electric field on the energy band structure and electron transport at the metal-semiconductor interface, establish the dynamic model of carrier transport and lasing mode evolution in the devices, and investigate the force-light-electricity coupling mechanism, systematically. It is expected to provide an important scientific basis and technical reference for the fabrication of the novel micro/nano structural devices, the integration of optoelectronics and all-photons and their potential application in the field of optical communication, sensing and biomedicine.

压电极化效应诱导的光学谐振腔自身折射率（介电常数）的变化是实现动态、可调谐激光模式输出，进行模式选择、获得单模激射的有效途径。本项目将以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；进一步设计和构建一类同时具有光响应和电响应的双模态、非接触式、多信号传输通道的应力传感原型器件，并结合瞬态吸收、瞬态光电特性探测、瞬态荧光等多种技术，分析受力产生的内建电场对金属-半导体界面能带结构及电子输运的影响，建立器件中载流子输运，模式结构演变的动力学模型，深刻揭示力-光-电三场耦合机制，为新型微纳结构器件构建、光电及光子集成及其在光通信、传感、生物医学等领域的应用提供重要的科学依据与技术参考。

设计和构建波长可调谐激光器是拓展其应用范畴的有效途径之一。而现有基于增益介质自身物理效应（如能带工程、自吸收效应、Burstein-Moss效应等）的调控方式尚不具备可逆性。因此，实现动态、可持续激光模式结构的调控仍缺乏有效方案。鉴于此，本项目以半导体光学微腔为载体，开展了以下五个方面的研究：（1）利用外部机械应变初步实现了ZnO回音壁激光模式的动态调控及单模输出，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，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，其频谱空间分辨能力提升了一个数量级，为动态调控相干光发射和构建高精度应变传感器提供了新思路；（2）将该方法推广至其他具有非中心对称结构的材料体系和非线性光学领域之中，说明该方法对于半导体激光模式调控具有普适性，也为构建模式可调谐频率上转换激光器提供了科学依据；（3）通过不同晶体取向微谐振腔的结构设计，系统分析并阐明了微腔折射率和尺寸变化在模式移动中的各自贡献；（4）利用应变诱导的极化电荷和晶体极化，分别设计和构建了以模式移动为媒介、光电信号同时传输为载体的高灵敏、双模态应变传感器，为未来极端条件下的非接触应力测量、远程应变检测和颜色可调压力映射等方面的应用提供一个可行策略；（5）结合其他物理效应（如能带工程、热光效应等），一方面在全无机钙钛矿材料体系中利用气相阴离子交换技术，有效拓展了激射腔模共振波长的调控范围，另一方面在ZnO:Ga微米线中，基于热光效应实现了紫外宽禁带半导体激光模式的动态调控。在本项目资助下，发表SCI论文12篇，参加国内外学术会议3次，申请中国发明专利4项；培养在读硕士研究生1名，联合培养博士/硕士研究生5名（已毕业），培养博士后3名（已出站）。项目投入直接经费25万元，支出21.398001万元，各项支出基本与预算相符。结余经费3.601999万元，这些款项将用于该项目的后续研究。