近日，香港中文大学（深圳）理工学院管君教授团队在微纳激光领域取得新进展，相关工作以“Gradient Moiré Perovskite Superlattices for Laser Beam Steering”为题，发表于Science Advances期刊。该研究提出并实现了基于梯度莫尔钙钛矿超晶格的激光束连续偏转技术，为可编程光子器件与智能激光系统提供了新平台。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz8028 

期刊介绍

Science Advances是美国科学促进会（AAAS）旗下Science系列的顶级期刊之一，致力于发表具有原创性和广泛影响力的研究成果，涵盖物理、材料、工程、生物等领域，现影响因子为12.5，JCR分区为Q1，是国际顶级综合科学期刊之一。

研究背景

近年来，莫尔超晶格结构因其独特的能带调控能力，在电子、声子及光子体系中引发了广泛研究。通过叠加具有一定扭转角的周期性晶格，莫尔结构可在能带中产生平带、增强手性耦合以及高品质因子的光学模式，从而为光场调控提供全新的自由度。然而，传统莫尔结构需通过重新设计或机械旋转实现扭转角变化，难以在单个器件内实现连续动态可调。另一方面，现有的莫尔光子系统多依赖外部光源实现光束调制，尚难与有源增益介质结合以构建具备内部可调发射特性的激光器。如何实现可编程的莫尔耦合并用于动态激光光束调控，仍是光子学领域的关键挑战。

金属卤化物钙钛矿凭借其高光致发光量子效率为构建高性能光源提供了理想增益介质，结合其优异的溶液加工特性，钙钛矿纳米结构可实现大面积可控图形化，为集成莫尔光子结构提供新的可能。因此，将可变扭转角的莫尔超晶格与钙钛矿增益材料相结合，有望突破现有激光器发射方向受限的瓶颈，为实现结构可编程、方向可调的紧凑型光源提供新的研究方向。

研究内容

该研究中提出了一种基于梯度莫尔钙钛矿超晶格的可调谐激光发射新方案，实现了单个器件内激光发射角度的连续调控。研究团队利用两步软光刻方法，将一维弯曲钙钛矿纳米晶（PNC）光栅与二维聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）方形晶格相结合，构建出具有空间渐变扭转角的莫尔光子超晶格。该结构在布里渊区边界的高对称M点形成了额外的、受扭转角调控的带边光学模式。在光泵浦作用下，器件可在M点和莫尔带边模式处实现低阈值激射。通过移动泵浦区域以选取不同扭转角，激光发射方向可在超过30°的范围内连续调节，实现了单器件内的动态光束扫描功能。该工作为利用莫尔耦合实现高可调性光场控制提供了新思路，并为智能光子芯片、可调激光雷达及多维光通信等应用开辟了新方向。

图1：梯度莫尔光子超晶格实现连续可调的激光发射方向的示意图

梯度莫尔光子超晶格结合二维PMMA方柱阵列（周期约500nm）与一维PNC光栅（周期约300nm），通过在一维光栅中引入毫米尺度长程曲率，形成空间渐变扭转角，实现k空间中光子腔模式的连续调控（图1A）。在光泵浦下，通过调节泵浦区域位置，不同扭转角对应的腔模式被激活，实现单器件内激光发射方向的连续调节（图1B），为可编程定向光源和智能光子器件提供新策略。

图2：梯度钙钛矿莫尔超晶格的制备和表征

如图2所示，研究人员通过全溶液软纳米压印工艺制备了梯度莫尔光子超晶格。首先在玻璃基底上形成二维PMMA纳米柱阵列作为支撑结构，再滴加PNC溶液并通过一维光栅聚二甲基硅氧烷（PDMS）印模压印，即可得到大面积、具有空间渐变扭转角的钙钛矿超晶格。扫描电子显微镜图像和光学照片显示，该结构均匀，扭转角在空间上连续变化，覆盖0°至约20°的范围。

图3：基于高对称M点的莫尔带边模式设计

如图3所示，研究团队通过梯度莫尔超晶格设计，利用布里渊区边界的高对称M点调控光子模式。通过调节PNC薄膜厚度，使波导模式与二维方格光栅的M点带边模式在光谱上重叠，实现对光反馈模式的精确控制。此外，将一维光栅与二维阵列结合形成莫尔超晶格，可引入额外的带边模式，并通过扭转角调节实现模式在倒易空间的连续移动。当扭转角从0°变化至45°时，莫尔带边模式在k空间中几乎覆盖了从近Γ区到光锥边缘的全范围，为单器件内激光发射方向的广域调控提供了基础。

图4：零度转角莫尔超晶格激光性能表征

如图4所示，泵浦355nm激光下，在布里渊区M点及X-M方向出现多条激光光斑，与理论预测一致，沿着X-M线的四束激光具有相同的波长和阈值。对莫尔激光的光谱测试显示激光峰半高宽小于0.2nm，显示出激光输出优异的低阈值和高线偏性能。

图5：通过扫描泵浦位置实现激光发射方向连续调控

研究团队进一步展示了通过改变泵浦位置实现激光束方向的动态调控（图5）。实验中，激光泵浦钙钛矿莫尔超晶格后，利用傅里叶平面成像捕捉激光输出，可根据波矢坐标获得激光发射角。结果显示，移动泵浦位置即可在单个器件内连续调节激光发射角，范围超过30°。在单器件上，随着扭转角从约2°增加至18°，m₁激光束发射角从约30°下降至约2°，m₂激光束则向外移动至探测边缘。通过制备覆盖0°到45°扭转角的器件系列，进一步验证了扭转角对激光发射方向的可编程控制。测得的激光轨迹与理论计算的莫尔带边模式一致，表明激光可在宽范围内连续扫描，为单器件内宽角度可调激光输出提供了实验基础。

研究结论

管君教授团队实现了一种基于梯度莫尔钙钛矿纳米晶超晶格的激光束方向可连续调控的方法。团队制备了毫米尺度的大面积梯度莫尔超晶格，空间扭转角连续变化，并揭示了布里渊区边界高对称点通过莫尔层间耦合产生额外带边模式的机制。通过调节泵浦位置，激光发射方向可在单个器件内连续改变。该梯度超晶格设计为实现精确可控、可调光子特性的莫尔激光提供了新方法，并可扩展至胶体量子点、有机半导体及上转换纳米颗粒等多种增益材料。此外，该工作为光通信、光学计算、三维显示和激光雷达等应用中的动态光束控制开辟了新途径。

作者简介

通讯作者：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，入选国家级青年人才。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。研究方向为微纳光学的交叉学科研究，涵盖微纳激光、等离激元、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/通讯作者身份在Nature Nanotechnology，Science Advances，Chemical Reviews，Advanced Materials，ACS Nano，Nano Letters等国际学术期刊发表论文。曾获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。作为项目负责人主持国家级青年人才项目、国家自然科学青年基金、1+1+1科研攻关项目、广东省区域联合青年基金、深圳市面上项目、深圳市优秀科技创新人才培养项目博士启动项目等科研项目。

第一作者：牟南历（博士后）

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。

管君教授课题组持续招收硕士、博士、博士后，欢迎感兴趣的申请人发送简历至guanjun@cuhk.edu.cn。

供稿 | 管君教授团队