科研速递 | 理工学院管君教授团队在Nano Letters发表文章
近日，香港中文大学（深圳）理工学院管君教授在钙钛矿超表面激光领域取得新进展，相关成果以“Large-Area Perovskite Nanocrystal Metasurfaces for Direction-Tunable Lasing”为题发表于Nano Letters期刊。
论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03921
期刊介绍
Nano Letters是美国化学学会旗下的顶级期刊，专注于纳米科学和纳米技术领域的基础、应用和新兴研究。该期刊最新影响因子9.6，中科院分区为1区TOP，JCR分区为Q1。
研究背景
金属卤化物钙钛矿因其优异的光电特性而受到广泛关注，展现出在太阳能电池、发光二极管、光电探测器和激光器等多个领域的应用潜力。这类材料特别是在光学增益方面表现出色，尤其是全无机金属卤化物钙钛矿纳米晶（PNC），由于其高量子产率和低缺陷密度，使其成为激光设计中的理想增益材料。尽管如此，现有的PNC激光器在腔体模式的色散特性上缺乏灵活控制，这导致了它们在激光发射方向的调节上受到限制，从而妨碍了其在先进光子学应用中的潜力，如3D激光投影显示、复杂光学逻辑门和多通道数据传输等。此外，以往用于调控激光方向的超表面谐振腔制造方法多依赖复杂的电子束曝光和镀膜工艺，这不仅增加了制造成本，也降低了生产效率。因此，开发简单、可扩展的方法以实现PNC激光器的方向性控制显得尤为重要。
研究内容
该研究实现了具有可调发射角度的PNC超表面激光器。采用基于软纳米压印光刻的全溶液加工技术，制备了毫米尺度的CsPbBr3-PNC超表面。通过在倒易晶格的高对称X点设计带边光子模式，在光泵浦下实现了沿~30°极角的四个线偏振激光束。该器件架构还可通过调整PNC厚度将其他高对称点（如Г点和M点）移动到PNC发射波长范围，从而将激光发射角度分别调节到0°和~50°。该激光设计策略为定向光学天线和探测器、3D激光投影显示器和多通道可见光通信等应用提供了前景。
图1. 钙钛矿纳米晶体超表面实现可调定向激光输出的示意图
由于周期性超表面结构的衍射模式与 PNC 薄膜的波导模式耦合，PNC 厚度的变化可以影响波导模式的有效折射率，从而操纵光子带结构。根据 PNC 薄膜的设计厚度，不同的高对称点（Г、X 和 M）与 PNC 发射带宽重叠，从而使激光发射角分别为 0°、~30° 和~50°（图1）。
图2. 通过软纳米压印光刻实现PNC超表面的大面积、高效制备
如图2所示，该研究的钙钛矿超表面制备工艺非常简单高效，首先利用软纳米压印技术制备一层低折射率的PMMA光刻胶柱阵列作为支撑结构，再滴加PNC溶液用空白PDMS进行压印，即可得到毫米尺度的大面积钙钛矿超表面样品。
图3. 超表面布里渊区X点处带边模式设计，以提供光学反馈
如图3所示，通过空晶格近似理论确定实现高对称X点带边模式能带的结构等效折射率，并结合波导模式理论和有限差分时域仿真模拟精确确定了具体的超表面结构参数，所制备样品的能带测试表现出与理论预测的良好一致性。
图4. PNC超表面在布里渊区X点的激光发射特性
通过飞秒激光泵浦测试，可以观测到在X点处产生了对称的四条带状激光光斑输出，发散角<1°。在33°发射角处进行的泵浦功率依赖探测和和偏振依赖探测，显示出激光输出优异的低阈值和高线偏性能（图4）。
为实现具有特定发射角度的PNC激光，该研究进而利用PNC超表面的其他高对称点进行光反馈。通过优化有效折射率，使波导-衍射模态在Γ点或M点交汇，形成带边模态，实现了0°和49°的定向激光发射。该激光设计方案通过简单地控制PNC超表面的厚度来调控激光方向，大大降低了超表面模板再制造的成本和复杂性。
研究结论
管君教授团队实现了一种基于厚度控制激光发射方向性的大面积 PNC 超表面激光器。所采用的软纳米压印技术为大规模生产提供了一种高效、经济的方法。通过改变PNC层的厚度，可以将不同的高对称点与PNC的发射波长重叠，从而实现可调的激光发射角。该研究为下一代高效、紧凑的相干光源的开发提供了新的思路，同时也为钙钛矿纳米晶在方向性光天线、3D激光投影显示和多通道可见光通信等领域的应用奠定了基础。
作者简介
本文通讯作者：香港中文大学（深圳）理工学院管君教授
管君，2023年7月加入香港中文大学（深圳）理工学院，担任助理教授、博士生导师、校长青年学者。此前于四川大学取得学士学位、美国西北大学取得博士学位、美国麻省理工学院从事博士后研究。研究方向为纳米光子学的交叉学科研究，涵盖等离激元、纳米激光、超构表面、量子点器件等，研究工作集中在激光器的小型化、智能化。近年以第一/通讯作者在Nature Nanotechnology, Chemical Reviews, Advanced Materials, ACS Nano, Nano Letters等国际学术期刊发表论文。曾获得美国材料学会秋季会议最佳报告奖、国际纳米技术研究所杰出研究学者奖、美国西北大学预测科学与工程奖学金等奖项。研究工作得到国际广泛关注，曾作为受邀主讲人在国际知名光学会议SPIE Optics + Photonics做特邀报告，并在美国劳伦斯伯克利国家实验室分子工厂年度会议做大会特邀报告。作为项目负责人主持国家自然科学基金、广东省区域联合基金、深圳市优秀科技创新人才培养项目等科研项目。
本文第一作者为香港中文大学（深圳）博士后牟南历
牟南历，2020年博士毕业于中国科学院大学，2023年9月加入管君教授团队，目前主要从事微纳加工工艺、超表面、微纳激光器件等研究。
供稿 | 管君教授团队
