基于自组装技术的量子点超晶格基光学微腔体系及宽带可调谐单模激光研究

For the current researching situation and the tendency of microcavity laser, wide-band tunable single-mode laser has attracted a great deal of research interest. Developing new microcavity system, innovating microcavity fabrication technology and realizing wide-band tunable single-mode laser have become one of the hot topic in the field of microcavity laser. In this project, the all-inorganic perovskite colloidal quantum dots with excellent optical properties are used to realize the quantum dot superlattice microcavity through the self-assembly. We investigate the resonant optical properties, dynamic process, and single-mode lasing by using the multi-dimensional resolved spectroscopic technique and the time-resolved streak-camera system. Analysis of the influence of the collective effect of quantum dots, the electron energy state of the system, the quality, structure and size of the microcavity on the lasing performance. Angel-resolved micro-spectroscopic technique is also employed to detect the angle-dependent energy distribution of the lasing in the microcavity. High quality, wide-band tunable single-mode laser with be realized. Through this project, we expect to break the bottlenecks of developing single-mode laser and promote related fundamental physics, further providing theoretical and experimental support for the future application of cavity-based single-mode laser.

针对当前微腔激光研究领域面临的挑战及未来发展动态，发展新型微腔结构体系、创新微腔制备技术、实现宽波段、连续可调谐、单模激光输出已然成为微腔激光研究领域最受关注的热点课题之一。本项目基于具有优异光学性能的全无机金属钙钛矿胶体量子点，利用自组装技术，实现可控量子点超晶格基光学微腔体系；通过多维分辨显微荧光探测技术和时间分辨条纹相机，系统开展微腔体系对光场的调制物理效应、光谱动力学特性以及微腔调制单模激光研究，解析量子点集体效应、体系电子能态、微腔品质、结构、尺寸对激光特性的影响；利用角分辨显微荧光光谱探测技术，研究微腔调制单模激光在不同角度上能量场的分布；实验上获得宽波段、可调谐、高品质微腔单模激光。期待研究结果可解决当前微腔单模激光研究面临的系列难题，在相关基础物理探索方面有所突破，为未来微型微腔单模激光器开发应用提供理论和实验支持。

本项目是基于无机金属钙钛矿胶体量子点宽带可调谐优异光学特性，结合微纳结构光学微腔研究理论。创新性引入自组装技术，通过控制胶体量子点的自组装过程，实现具有特定几何结构、尺寸可控的量子点超晶格基光学微腔新体系，进而系统研究微腔调制的光谱特性、宽波段连续可调谐单模激光以及激光线宽、模式品质因子、色散关系以及动力学特性。实验上通过自组装过程获得长程有序、密集排列具有规则形貌的钙钛矿钛矿量子点超晶格微腔结构。基于这样的量子点超晶格微腔结构实现不同模式的激光输出。并可通过量子点浓度、组装时间、温度，材料组成等因素有效调谐合成超晶格的尺寸大小及发射波长进而实现宽波段可调协单模激光输出，深入研究单模激光产生的物理机制，并对单模激光线宽、激射阈值以及模式品质因子进行深入分析，阐明其内在物理关联及与微腔品质之间的对应依赖关系。基于本项目研究期间获得的一系列研究结果，在该领域著名期刊Nature Communications, Light Science & Applications, Nano Energy, Nano Letters，Advanced Science等发表学术论文，获得国内外同行的较高认可和关注。此外，基于该项目我们和本研究领域多个知名课题组，如复旦大学周磊老师课题组，华东师范大学谢微课题组，华中科技大学周伟航老师课题组等建立深入密切的合作关系。另外，基于本项目的研究工作，培养5名博士研究生和1名硕士研究生，其中4名博士研究生获得中科院院长奖（特别奖和优秀奖）、国家奖学金、宝钢优秀学生等奖学金的支持。