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作者与期刊信息
本文由董红星、常浩、高新宇、刘靓、成浩东、李欣洁、于珂等作者撰写，他们分别来自中国科学院上海光学精密机械研究所强激光材料重点实验室和国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院。文章发表于2024年6月的《中国激光》期刊第51卷第11期。
主题与背景
本文的主题是低维半导体微纳激光的研究进展，特别是基于钙钛矿材料的微纳激光。半导体微纳激光是纳米技术与纳米光子学交叉研究的前沿领域，具有尺寸小、可高度集成、低阈值和低功耗等优点，在光子器件、光学集成、光通信和激光显示等领域具有广泛的应用前景。本文综述了低维半导体微纳激光的研究成果，重点介绍了钙钛矿材料在微纳激光中的应用，并对未来的发展趋势进行了展望。
主要观点与论据
1. 半导体微纳激光的发展历程
文章首先回顾了半导体微纳激光的发展历程。20世纪初期，爱因斯坦提出了受激辐射理论，奠定了激光产生的基础。20世纪60年代，Maiman首次实现了激光发射，随后Schawlow和Hall等人利用GaAs材料实现了电泵浦激光发射，开启了半导体激光器研究的新纪元。半导体微纳激光器利用波长量级的微观谐振腔实现激光发射，具有尺寸小、结构紧凑、成本低等优势，是高性能光源的理想选择。随着信息技术和集成光路的发展，微纳激光器的设计和制备变得尤为重要。
微纳激光的关键组成部分
微纳激光的输出主要依赖于谐振腔、增益介质和泵浦源三部分。文章详细介绍了这三部分的发展历程。1980年代，垂直共振腔面射激光器的出现将激光器尺寸缩小到光波长的几倍。1990年代，微盘腔和光子晶体激光器的出现进一步减小了微纳激光器的尺度。2001年，杨培东课题组首次采用ZnO纳米线作为光学微腔，开启了微纳激光器的研究。目前，研究人员在ZnO、GaN、GaAs、CdS等多种半导体微纳激光的研究中取得了显著进展，报道了纳米线、纳米带、纳米盘、量子点等多种结构的光学微腔。
钙钛矿材料在微纳激光中的应用
钙钛矿材料作为新兴的半导体材料，在光电领域具有极大的应用前景。文章详细介绍了钙钛矿材料在微纳激光中的应用。钙钛矿材料具有高吸收系数、低乌尔巴赫能量、小斯托克位移、大载流子扩散长度和高荧光产率等优异特性，使其成为制备高性能微纳激光器的理想选择。2015年，Sutherland等人利用瞬态光谱测试原子沉积技术得到的MAPbI3薄膜光增益高达3200 cm⁻¹，几乎与GaAs单晶的光增益相当。钙钛矿材料的低缺陷密度特性减小了光在微腔中传播的光损失，为不同钙钛矿微腔结构的合成、制备以及大规模集成和应用提供了方便。
钙钛矿微纳结构激光的研究进展
文章进一步介绍了钙钛矿微纳结构激光的研究进展。钙钛矿微纳结构激光的研究主要集中在纳米片、纳米线、量子点等结构上。2014年，Zhang等人通过两步气相法在云母衬底上合成出MAPbI3、MAPbIxCl3-x钙钛矿纳米片，首次实现了室温下的近红外高性能WGM（Whispering Gallery Mode，回音壁模式）激光器。2015年，Liao等人利用溶液自组装法制备出单晶MAPbBr3微立方块，实现了低阈值的WGM单模激光。2016年，Zhang等人采用气相范德瓦尔斯外延法合成了高质量的CsPbX3微盘，实现了低阈值、高光谱相干性的激子激光。2018年，Zhou等人利用双源化学气相沉积法制备了CsPbBr3微立方体腔，实现了线宽极窄的稳定单模激光。2023年，Li等人在高温环境下采用化学气相沉积工艺成功制备了蓝光钙钛矿相铷溴化铅（RbPbBr3）微立方体，构建了无外腔WGM模式微纳激光器，实现了高质量蓝色单模激光。
波长可调谐单模微纳激光
文章还介绍了波长可调谐单模微纳激光的研究进展。钙钛矿晶体的带隙主要取决于[PbX6]⁴⁺八面体单元，通过阳离子、卤素离子的替换可以实现钙钛矿带隙的连续调谐。2015年，Zhu等人采用溶液法制备有机无机杂化MAPbX3钙钛矿单晶纳米线，通过前驱体溶液中混合不同量的甲基碘化铵和卤化物，成功合成出MAPbBryI3-y和MAPbClxBr3-x合金纳米线，实现了从近红外到蓝色的波长可调的FP（Fabry-Pérot，法布里-珀罗）激光。2018年，Wang等人退火蓝宝石衬底上气相法合成高质量的CsPbX3钙钛矿纳米线，实现了从430 nm到730 nm的波长可调激光。2020年，Tang等人通过固-固阴离子扩散工艺，构建单根CsPbCl3-3xBr3x钙钛矿合金纳米线，实现了从480 nm到525 nm连续可调的纳米线激光。
微纳结构激光的光学应用
文章还探讨了微纳结构激光在光学应用中的潜力。随着社会发展和科技进步，防伪和身份认证等信息安全的需求越来越高。基于微纳结构的光学物理不可克隆函数（PUF）被提出，用于构建牢不可破的密码系统。2019年，Feng等人提出了基于双波长有机单晶激光器的全光子密钥，实现了高效、可靠稳定的四元密钥。2021年，Chen等人利用一步重结晶法制备了形貌可控、尺寸随机的钙钛矿纳米线阵列，实现了基于FP腔的编码密钥。2020年，Okada等人利用自组装过程的不可控形貌，构建了不可复制的微米级阵列图案，用于防伪的光学微腔。2023年，Mao等人基于飞秒加工的尺寸均匀、边缘光滑的钙钛矿微盘阵列，通过蒸汽诱导引入微腔变形的随机性，获得了激发阈值完全不均匀、线宽窄的激光阵列，并证明了后处理的激光阵列可实现随机的激光信号。
论文的意义与价值
本文综述了低维半导体微纳激光的研究进展，特别是钙钛矿材料在微纳激光中的应用。通过对钙钛矿微纳结构激光的研究进展、波长可调谐单模微纳激光的研究进展以及微纳结构激光的光学应用的详细介绍，本文为读者提供了全面的研究现状和发展趋势。钙钛矿材料由于其优异的光电特性，在微纳激光领域具有巨大的研究价值。未来，随着钙钛矿材料的进一步研究和优化，低维半导体微纳激光在光子集成、光通信、激光显示等领域的应用前景将更加广阔。本文的综述不仅为相关领域的研究人员提供了重要的参考，也为未来的研究方向提供了有价值的指导。