基于有机异质耦合微腔的双波长可切换单模激光
微纳激光器是一种器件尺寸或模式体积在波长或亚波长尺度的激光器, 在化学和生物传感、柔性光子学集成以及激光显示等领域有着广泛的应用. 随着高度集成光学器件对信息密度和精度的需求不断增加, 要求微纳激光器能够同时实现宽带输出和良好的光谱纯度, 即波长可调谐单模微纳激光器. 通常, 单模激光器可以通过缩小谐振腔尺寸来扩大自由光谱范围, 直到谐振腔中只有一个模式存在. 然而, 这种方法很难实现波长的切换, 而激光的波长调制是实现波分复用和波长转换等实际应用的关键因素, 并且通过缩小腔尺寸实现的单模激光也会导致激光阈值的大幅增加. 在耦合腔结构中, 其中一个腔充当另一个谐振模式的光谱滤波器, 不仅能够在维持阈值不大幅增加的情况下实现单模激光, 而且多个腔体的结构还为将多个增益材料引入激光谐振腔中提供了机会.
有机增益材料具有结构柔性、材料兼容性、发光效率高、丰富的激发态过程、分子结构多样性和可设计性等优势, 可用于制备各种形貌的微腔, 为实现耦合微腔单模激光器提供了理想的平台. 然而, 目前大多数有机耦合微腔是通过微操的方式实现, 该方法在操作过程中可能会对结构造成破坏, 且面临性能随机和结构不稳定等问题, 难以大批量制备. 同时, 耦合微腔构筑完成后其单模激光发射波长被固定, 若想实现其他波长的单模激光则需重新构筑耦合腔, 不利于提高器件的集成度. 因此能够在同一器件中实现动态可调的单模激光输出尤为重要. 喷墨打印是一种可以定位沉积墨水溶液的技术, 可以大规模加工和制备多功能多组分的微结构以实现复杂的光学功能, 为异质耦合微腔的集成提供了可能. 因此, 可以借助喷墨打印技术可控制备有机异质耦合微腔, 通过合理设计使微腔进行耦合, 为实现可调谐的单模微纳激光器提供了新的思路.
北京师范大学呼凤琴课题组采用超声辅助的喷墨打印技术在同一基底上制备了不同染料掺杂的有机微半球耦合结构, 在异质耦合谐振腔体系中实现了可切换的单模激光. 所制备的微半球结构具有光滑的表面和完美的圆形边界结构, 可以作为高品质的回音壁模式(whispering-gallery mode, WGM)谐振腔来为激光的产生提供反馈. 在光泵浦条件下, 不同染料掺杂的有机微半球可以分别实现蓝、绿、红多模激光. 利用基底的柔性动态调控两个微腔之间的耦合状态, 并利用回音壁模式微腔进行多个谐振腔之间的光学耦合, 最终实现了蓝、绿、红可调单模式激光. 这一结果不仅为高光谱纯度有机微纳激光的设计提供了新的思路, 同时也将大大促进可调谐单模激光器的发展和应用.
图1 基于有机异质耦合微腔的双波长可切换单模激光
该文将收录于《中国科学：化学》2022年第6期庆祝“北京师范大学建校120周年暨化学学科创立110周年专刊”，点击下方链接或“阅读原文”可读全文：
贾雅君, 张春焕, 管雨薇, 刘珍, 呼凤琴*. 基于有机异质耦合微腔的双波长可切换单模激光. 中国科学 : 化学, 2022, doi: 10.1360/SSC-2022-0016