一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器及设计方法

摘要

本发明提出了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器及设计方法，涉及激光器技术领域，具体方案包括：包括具有多个同心圆环结构的超表面，所述超表面，是在钙钛矿薄膜上，沿圆环路径，连续设置微纳结构单元；所述微纳结构单元中心设置有空气孔，规则排列的微纳结构单元构成BIC谐振腔，用于在泵浦光激发下得到增益后的激光，并将光束聚焦目标聚焦位置；本发明将卤化钙钛矿制备的BIC微纳激光器与可实现聚焦功能的超表面相结合，可自主实现激光光束的聚焦，无需添加聚焦透镜，激光器尺寸仅为10微米左右，便于实现片上集成。

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器及设计方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

半个世纪以来，半导体技术产业基本按照摩尔定律发展，而随着信息技术的进一步发展，诸如云计算、物联网、人工智能等新兴领域的兴起，对半导体技术提出了更高的要求，高集成度、低功耗、高速度成为现代信息技术产业的主流发展方向；越来越多的人认为这一定律将无法预测现代半导体信息技术的进一步发展，针对上述问题，人们正在积极探索尝试各种解决方案，其中，通过光电集成，结合光子与电子的优势，制备光电集成器件被认为是最具潜力的方向之一；将微电子和光电子结合起来，在同一芯片上集成光子学器件和电子学器件，充分发挥微电子先进成熟的工艺技术以及光子高带宽、高速率及抗干扰性的优势，使得光电集成芯片在后摩尔定律时代的器件发展领域极具竞争力。

激光器作为片上光源，是其小型化是实现光电集成十分重要的一环。随着纳米加工等技术的发展，半导体激光器的小型化取得了长足进展，但在实用层面上，微纳激光器仍然存在着问题，例如：器件尺寸小，模式匹配困难，光损耗较大，实际输出功率较小，对增益介质等材料的要求较高，导致成本高等问题。通常在微纳激光器件构成的系统中，尤其是各种微纳器件之间光信号的相互耦合，常使用超表面构成的超透镜等衍射器件，实现进一步提高集成度的目的；但在实际应用中，微纳激光器和超表面器件在制作、装配和封装上，需要两个器件在微米或者亚微米尺寸上进行对准，操作难度极大，无法在真正意义上实现微纳的小型化。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器及设计方法，将卤化钙钛矿制备的BIC微纳激光器与可实现聚焦功能的超表面相结合，可自主实现激光光束的聚焦，无需添加聚焦透镜，激光器尺寸仅为10微米左右，便于实现片上集成。

为实现上述目的，本发明的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

本发明第一方面提供了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器。

一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器，包括具有多个同心圆环结构的超表面，所述超表面，是在钙钛矿薄膜上，沿圆环路径，连续设置微纳结构单元；

所述微纳结构单元中心设置有空气孔，规则排列的微纳结构单元构成BIC谐振腔，用于在泵浦光激发下得到增益后的激光，并将光束聚焦目标聚焦位置。

其中，依据目标谐振频率和目标聚焦位置，设置每个圆环与圆心的距离及微纳结构单元的参数值，保证所有微纳结构单元具有相同的谐振频率，且同一圆环上微纳结构单元的参数值相同，所述微纳结构单元的参数包括空气孔尺寸和微纳结构单元尺寸。

进一步的，所述钙钛矿薄膜，由钙钛矿材料采用热蒸发或者溶液法合成制备而成。

优选的，钙钛矿薄膜厚度设置为650nm。

优选的，所述超表面设置四个同心圆环；

所述圆环与圆心的距离，从内环到外环，分别为2.3μm、4.0μm、5.4μm和7.5μm；

所述空气孔尺寸，从内环到外环，分别为120nm、102nm、84nm和52nm；

所述微纳结构单元尺寸，从内环到外环，分别为500nm、472nm、431nm和203nm；

所述目标聚焦位置，为光束焦点距离超表面50微米。

进一步的，还包括泵浦源和隔离层，所述泵浦源用于产生泵浦光，所述隔离层作为超表面的衬底，起到支撑的作用。

本发明第二方面提供了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器的设计方法。

一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器的设计方法，包括：

获取目标谐振频率、目标聚焦位置及制备的钙钛矿薄膜厚度；

依据目标谐振频率和目标聚焦位置，求解每个圆环与圆心的距离及微纳结构单元的参数值，保证所有微纳结构单元具有相同的谐振频率，且同一圆环上微纳结构单元的参数值相同，所述微纳结构单元的参数包括空气孔尺寸和微纳结构单元尺寸；

基于求解的结果，在制备的钙钛矿薄膜上沿圆环路径连续设置微纳结构单元。

进一步的，所述求解每个圆环与圆心的距离及微纳结构单元的参数值，具体为：

基于钙钛矿薄膜厚度，计算不同参数值的微纳结构单元的谐振频率；

选择谐振频率等于目标谐振频率的微纳结构单元；

根据目标聚焦位置和目标谐振频率，计算到目标聚焦位置的所有菲涅尔半波带，选择能排列整数个所选微纳结构单元的菲涅尔半波带作为圆环，并得到每个圆环到圆心的距离；

依据各个圆环的位置及谐振频率符合条件的微纳结构单元的参数值，为各个圆环选取微纳结构单元。

进一步的，所述计算不同参数值的微纳结构单元的谐振频率，具体为：

利用有限元分析及时域有限差分法，得到不同参数值与谐振频率的关系；依据关系，计算不同参数值的谐振频率。

进一步的，所述得到每个圆环到圆心的距离，具体为：

根据钙钛矿薄膜上不同位置到目标聚焦位置的光程、目标聚焦位置和目标谐振频率对应的光波长，计算各个圆环的位置，即圆环到圆心的距离。

进一步的，所述为各个圆环选取微纳结构单元，具体为：

计算不同位置的圆环到目标聚焦位置的光学相位值，将不同位置的光学相位值与谐振频率满足条件的微纳结构单元进行匹配，对位置进行离散化处理，得到每个圆环上的每一个微纳结构单元的具体位置。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

与现有设计所使用材料相比，现有微纳激光器多采用第二代、第三代半导体，其制备成本高，本发明采用卤化钙钛矿通过溶液法或者热沉积法合成制备钙钛矿薄膜，作为BIC微纳激光器，在钙钛矿薄膜上，选取特定的微纳结构单元，构建具有聚焦功能的超表面结构，得到自聚焦钙钛矿激光器，步骤简单，成本较低。

与现有设计相比，本发明采用优选的超表面结构设计和参数，降低了光损耗，品质因子达到1200，与其他的BIC钙钛矿激光器相比，品质因子提升了42.5％。

与现有应用器件相比，本发明将BIC微纳激光器与可实现聚焦功能的超表面相结合，可自主实现激光光束的聚焦，无需添加聚焦透镜，激光器尺寸仅为10微米左右，便于实现片上集成。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为第一个实施例激光器的结构图。

图2为第一个实施例微纳结构单元的俯视图。

图3为第一个实施例微纳结构单元的前视图。

图4为第二个实施例的方法结构图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施方式中，公开了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器，如图1所示，包括泵浦源、隔离层和具有多个同心圆环结构的超表面，泵浦源用于产生泵浦光，隔离层作为超表面的衬底，起到支撑的作用；超表面是在钙钛矿薄膜上，沿圆环路径，连续设置微纳结构单元；

微纳结构单元中心设置有空气孔，规则排列的微纳结构单元构成BIC谐振腔，用于在泵浦光激发下得到增益后的激光，并将光束聚焦目标聚焦位置；

其中，依据目标谐振频率和目标聚焦位置，设置每个圆环与圆心的距离及微纳结构单元的参数值，保证所有微纳结构单元具有相同的谐振频率，且同一圆环上微纳结构单元的参数值相同，所述微纳结构单元的参数包括空气孔尺寸和微纳结构单元尺寸。

下面对本实施例一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器进行详细说明。

传统的激光器通常包括三个主要部件：泵浦源、激光增益介质和谐振腔源，本实施例中采用超表面代替激光增益介质和谐振腔源，实现光学增益和光束聚焦的作用。

本实施例的超表面，实际上是一种基于连续域束缚态的微纳激光谐振腔腔体，通过在钙钛矿薄膜上叠加相位调控的微纳结构单元，实现具有光束聚焦功能的钙钛矿微纳激光器。

采用热蒸发或者溶液法合成的钙钛矿CsPbBr3薄膜作为增益介质，同时在该薄膜上通过制作微纳结构单元实现光学谐振腔，泵浦光通过光纤或者空间光进入腔体，并通过连续域束缚态原理实现光学增益，并最终输出532nm的激光输出。

连续域束缚态(Bound States in the Continuum，BIC)是一种位于连续体内部保持局域化且无辐射的特殊状态，由于钙钛矿CsPbBr3薄膜折射率为2.3，可以在材料和空气界面形成高的折射率差，制备的谐振腔体足以提供足够的反馈，因此，理想情况下，基于BIC的微纳激光器可以获得极大的品质因数，解决了光损耗大，输出功率小的问题。

本发明选取了特定参数的微纳结构单元进行具有聚焦功能的超表面结构的构建，实现激光光束的聚焦，无需额外添加聚焦透镜，在保证激光强度的同时有效减小了器件的尺寸。

微纳结构单元以空气孔为中心，图2是微纳结构单元的俯视图，图3是微纳结构单元的前视图，其中，a为微纳结构单元的尺寸，d为空气孔直径，h为钙钛矿薄膜厚度。

具体的，结合钙钛矿材料优异的光学增益特性，本实施例设计周期性空气孔晶体阵列实现BIC激光并对其进行调制，设计时使BIC模式处于钙钛矿薄膜的增益范围500-550nm；这里的周期性空气孔晶体阵列，也就是由微纳结构单元组成的圆环。

本实施例中薄膜和微纳结构单元都是由钙钛矿材料采用热蒸发或者溶液法合成制备而成的钙钛矿平板光子晶体；选取了四种具有相同谐振频率的微纳结构单元，分别是a＝500nm、r＝120nm，a＝472nm、r＝102nm，a＝431nm、r＝84nm，a＝203nm、r＝52nm，其中，r为空气孔的半径、a表示微纳结构单元尺寸；计算其分别对应的相位，根据不同位置相位的分布信息，得到不同位置处相位延迟的值，将不同位置延迟的值与满足条件的微纳结构单元进行匹配，对位置进行离散化处理，从而完成具有光束聚焦功能超表面的设计。

根据四种相同谐振频率的微纳结构单元，所设计成的超表面具有四层同心圆环结构，每个圆环上排列等间距的空气孔结构；从同心圆圆心到四层圆环结构的半径分别为：2.3μm、4.0μm、5.4μm和7.5μm，从内环到外环，每个圆环上空气孔结构间距分别为四组单元结构的a值，分别是500nm、472nm、431nm和203nm，空气孔结构数量分别为28个、57个、78个和231个。从内环到外环，每个圆环上空气孔结构的半径分别为120nm、102nm、84nm和52nm。

依据上述参数的激光器，最终将光束聚焦在距离超表面50微米的目标聚焦位置。

实施例二

在一个或多个实施例中，公开了一种微纳腔结构的自聚焦钙钛矿激光器的设计方法，如图4所示，包括：

步骤S1：获取目标谐振频率、目标聚焦位置及制备的钙钛矿薄膜厚度。

钙钛矿薄膜由钙钛矿材料采用热蒸发或者溶液法合成制备而成。

步骤S2：依据目标谐振频率和目标聚焦位置，求解每个圆环与圆心的距离及微纳结构单元的参数值，保证所有微纳结构单元具有相同的谐振频率，且同一圆环上微纳结构单元的参数值相同，所述微纳结构单元的参数包括空气孔尺寸和微纳结构单元尺寸；具体步骤为：

(1)基于钙钛矿薄膜厚度，计算不同参数值的微纳结构单元的谐振频率。

利用有限元分析及时域有限差分法，得到不同参数值与谐振频率的关系；依据关系，计算不同参数值的谐振频率。

具体的，采用有限元分析(FEM)及时域有限差分法(FDTD)，行计算得到钙钛矿平板光子晶体的结构参数：晶格尺寸a＝576.3nm，空气孔半径r＝160nm，钙钛矿薄膜厚度h＝650nm，谐振波长为532nm，即基于空气孔尺寸、微纳结构单元尺寸和钙钛矿薄膜厚度，计算谐振波长。

(2)选择谐振频率等于目标谐振频率的微纳结构单元。

(3)根据目标聚焦位置和目标谐振频率，计算到目标聚焦位置的不同菲涅尔半波带的半径，要求每个相邻的菲涅尔半波带到目标聚焦位置的光程差为λ/2或相位差为π，实现目标谐振频率的激光的透镜相位匹配目标聚焦位置产生聚焦，选择能排列整数个所选微纳结构单元的菲涅尔半波带作为圆环，并得到每个圆环到圆心的距离，其中，λ表示目标谐振频率对应的光波长。

菲涅尔半波带的选择条件为：需满足菲涅尔半波带上可以根据微纳结构单元参数排列整数个结构单元，相邻两个圆环之间排列的微纳结构单元不会相互重叠。

根据钙钛矿薄膜上不同位置到目标聚焦位置的光程l

第一个圆环位置应当为l

(4)依据各个圆环的位置及谐振频率符合条件的微纳结构单元的参数值，为各个圆环选取微纳结构单元。

根据不同级次的菲涅尔半波带圆环的半径r

步骤S3：基于求解的结果，在制备的钙钛矿薄膜上沿圆环路径连续设置微纳结构单元。

通过上述三个步骤，获取每个圆环与圆心的距离、空气孔尺寸和微纳结构单元尺寸，根据这些参数在制备的钙钛矿薄膜上沿圆环路径连续设置微纳结构单元，得到超表面，从而将具有聚焦延迟相位函数的超构表面与BIC激光器进行结合实现激光器输出聚焦光束。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。