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主要作者及机构
本研究由Wenzhao Sun、Yilin Liu、Geyang Qu、Yubin Fan、Wei Dai、Yuhan Wang、Qinghai Song、Jiecai Han和Shumin Xiao共同完成。研究团队分别来自哈尔滨工业大学（深圳）的工业和信息化部可调谐激光技术重点实验室、山西大学的极端光学协同创新中心以及哈尔滨工业大学特殊环境复合材料国家重点实验室。该研究于2020年发表在《Nature Communications》期刊上。
学术背景
研究领域主要集中于光电子学和纳米光子学，特别是基于铅卤化物钙钛矿（lead halide perovskite）的微激光器。铅卤化物钙钛矿因其优异的光学增益、长载流子扩散长度和低缺陷密度，在光电应用中展现出巨大潜力。然而，现有的钙钛矿微激光器通常产生线性偏振且波前均匀的激光束，限制了其在下一代光通信中的应用。为了克服这一限制，本研究旨在开发一种能够产生携带轨道角动量（orbital angular momentum, OAM）的结构化激光束的钙钛矿涡旋微激光器。
研究流程
1. 钙钛矿薄膜的制备
研究团队采用气相辅助旋涂技术（vapor assisted spin-coating technique）制备了MAPbBr3钙钛矿薄膜。通过调节前驱体浓度和旋涂速度，薄膜厚度控制在200至400纳米之间。X射线衍射谱和能量色散光谱证实了MAPbBr3薄膜的形成，原子力显微镜测量显示薄膜的均方根粗糙度小于6.15纳米，适合光电器件应用。
纳米结构的制备
通过电子束光刻和电感耦合等离子体刻蚀（inductively coupled plasma etching）技术在钙钛矿薄膜中制备了纳米结构。与以往使用Cl2气体不同，本研究采用H2和Ar混合气体进行刻蚀，避免了Cl⁻与Br⁻的离子交换过程，同时实现了约21纳米/秒的刻蚀速率和20纳米的深度控制精度。通过实验验证，刻蚀过程完美保留了薄膜的光致发光特性。
微激光器的设计与制造
研究团队设计了两种类型的微激光器：环形布拉格光栅（bullseye grating）和阿基米德螺旋光栅（Archimedean spiral grating）。环形布拉格光栅用于产生高斯光束，而阿基米德螺旋光栅则用于产生携带OAM的涡旋光束。通过三维数值模拟，研究团队优化了光栅的周期、占空比和缺陷尺寸，以实现单模激光发射和高方向性输出。
激光特性表征
采用飞秒激光泵浦系统对微激光器进行光学泵浦，并通过光谱仪和背焦平面成像技术（back focal plane imaging）表征其激光特性。实验结果显示，环形布拉格光栅微激光器在545纳米处实现了单模激光发射，阈值泵浦能量密度为19.58 μJ/cm²。阿基米德螺旋光栅微激光器则产生了携带OAM的涡旋光束，拓扑电荷（topological charge）从-4到4可调。
主要结果
1. 环形布拉格光栅微激光器
实验结果显示，环形布拉格光栅微激光器在545纳米处实现了单模激光发射，阈值泵浦能量密度为19.58 μJ/cm²。远场光束呈现出高方向性的环形分布，发散角约为3.5°。偏振态表征表明，激光束为径向偏振，适用于生物成像和光学操控等特定应用。
结论与意义
本研究首次实现了基于钙钛矿的涡旋微激光器，能够产生携带OAM的高方向性激光束。通过精确控制阿基米德螺旋光栅的臂数，研究团队成功实现了拓扑电荷从-4到4的可调谐激光发射。这一研究不仅扩展了钙钛矿微激光器在混合集成光子网络和光学计算中的应用潜力，还为高密度光通信和量子光学提供了新的解决方案。
研究亮点
1. 创新性方法
本研究采用气相辅助旋涂技术和混合气体刻蚀工艺，成功制备了高质量的钙钛矿薄膜和纳米结构，为微激光器的制造提供了新方法。
高方向性涡旋光束
通过设计阿基米德螺旋光栅，研究团队首次实现了基于钙钛矿的涡旋微激光器，能够产生携带OAM的高方向性激光束。
大范围拓扑电荷调控
研究团队展示了拓扑电荷从-4到4的可调谐激光发射，并进一步实现了拓扑电荷高达32的涡旋微激光器，为高密度模分复用提供了新的可能性。
其他有价值的内容
本研究还探讨了钙钛矿微激光器在生物成像、光学操控和量子光学等领域的潜在应用，为未来的研究和开发提供了重要参考。此外，研究团队开发的数值模拟方法和实验表征技术也为相关领域的研究提供了新的工具和思路。