连续波长可调的单模钙钛矿垂直腔面发射激光器，内置腔内向列液晶

《Nano Energy》：Continuously wavelength-tunable single-mode perovskite vertical-cavity surface-emitting laser with embedded intracavity nematic liquid crystal

本文设计了一种内腔液晶（LC）整合的连续波长可调谐钙钛矿VCSEL，通过电压调控液晶折射率及有效腔长，实现811-783 nm的连续蓝移调谐，阈值低至2.35 μJ cm?2，并保持优异稳定性。同时发现温度从25℃升至40℃时，波长可进一步调谐19 nm，展示了卓越的热调谐性能。该集成方案为高稳定性可调谐光电器件提供了新思路。

　　这项研究提出了一种创新的连续波长可调的钙钛矿垂直腔面发射激光器（VCSEL）设计，其核心在于将液晶材料集成到激光器的谐振腔内部。这种设计不仅实现了激光输出波长的连续调控，还显著提升了激光器的性能和稳定性，为未来集成光电子器件的发展提供了新的思路。

钙钛矿材料因其独特的光电特性而备受关注，特别是在太阳能电池、发光二极管（LEDs）和激光器等领域展现出巨大的应用潜力。钙钛矿材料具有优异的光吸收能力、可调的带隙以及高量子效率，使其成为激光增益介质的理想选择。近年来，钙钛矿激光器在多种结构中取得了显著进展，包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、分布式反馈（DFB）激光器和谐振腔模式（WGM）激光器等。其中，VCSEL因其高光束质量、小发散角、可调波长和高可靠性，广泛应用于3D传感、高速光通信、激光雷达和医疗检测等领域。特别是将溶液法制备的钙钛矿材料与VCSEL技术结合，不仅降低了激光器的阈值，还实现了单模激光输出和高Q值谐振腔特性，为钙钛矿激光器的实用化奠定了基础。

然而，当前的钙钛矿可调波长激光器通常依赖于在单一激光结构中使用多种空间分离的钙钛矿材料，这在一定程度上限制了其在集成光电子器件中的应用。此外，一些现有技术由于机械结构不稳定或腔体几何设计的限制，难以充分发挥增益介质的带宽潜力，导致激光输出波长的调谐范围较窄，无法满足实际应用中对波长连续调节的需求。因此，开发一种具备优异灵活性和广泛调谐范围的连续波长可调钙钛矿激光器成为当前研究的重要方向。

液晶材料因其宽波段调谐能力、快速响应特性、结构灵活性、连续调谐性能以及高光学透过率，被认为是可调激光器的理想功能材料。作为一种双折射介质，液晶的折射率可以通过外部电场调控其分子取向，从而改变谐振腔的光学长度，实现激光输出波长的连续调谐。已有研究利用液晶材料在不同类型的激光器中实现了波长调谐，例如通过使用胆甾相液晶制造的谐振腔模式激光器，实现了在6°C温度变化范围内9.1纳米的波长调谐；或者将掺杂了钙钛矿量子点的液晶夹在两个氧化铟锡（ITO）基底之间，利用其作为一维光子晶体，实现了在590纳米到584纳米波长范围内的连续调谐。然而，这些研究主要集中在将液晶材料直接与钙钛矿增益介质结合，而这种方式可能会对钙钛矿的结构稳定性造成影响，进而导致液晶分子排列的无序化，影响激光的输出效率和调谐性能，同时降低器件的整体稳定性。

为了解决上述问题，本研究首次提出了一种基于液晶的连续波长可调钙钛矿VCSEL设计。通过将液晶材料引入垂直谐振腔内部，利用其在电场作用下的折射率变化，实现了对谐振腔有效长度的动态调控，从而实现了激光输出波长的连续调节。具体而言，研究人员使用了溶液法制备的甲基铵铅碘（MAPbI?）薄膜作为增益介质，并通过控制液晶层的折射率变化，成功实现了激光输出波长的连续调谐。实验结果表明，随着施加电压的增加，激光器的输出波长从811纳米显著蓝移至783纳米，调谐范围达到了28纳米。同时，激光器的阈值为2.35微焦耳每平方厘米，表现出良好的激光性能。此外，该激光器在常温下存储两个月后，其波长调谐范围仍保持稳定，显示出出色的运行稳定性。在温度变化方面，当温度从25°C升高至40°C时，激光输出波长发生了19纳米的红移，进一步证明了该激光器在热调谐方面的卓越能力。

这一设计的成功不仅在于其对波长调谐的灵活控制，还在于其在结构设计和材料选择上的创新。研究人员在VCSEL结构中引入了液晶调谐层，该层位于两个ITO薄膜之间，并通过聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层调节谐振腔的长度。PMMA层的厚度可以被精确控制，从而在一定程度上优化了谐振腔的光学性能。此外，该结构中还包含了对齐层，用于确保液晶分子的有序排列，进一步提升了激光器的性能和稳定性。通过这种结构设计，研究人员成功克服了传统方法中由于材料混合而导致的结构不稳定问题，同时保持了液晶材料在调谐性能方面的优势。

该研究的意义在于，它为实现高稳定性和高调谐能力的钙钛矿激光器提供了一种新的解决方案。传统的钙钛矿激光器通常需要在不同的材料之间进行切换或调整，这不仅增加了制造的复杂性，还可能影响器件的整体性能。而本研究提出的方案则通过在单一结构中引入液晶调谐层，实现了对激光输出波长的连续调节，无需更换材料或重新设计结构，从而大大提高了器件的集成度和灵活性。这一创新设计为未来的钙钛矿激光器在光通信、传感和成像等领域的应用提供了新的可能性。

在实际应用中，这种连续波长可调的钙钛矿VCSEL具有广泛的前景。例如，在光通信领域，波长可调的激光器可以用于动态调整光信号的波长，以适应不同的传输需求；在生物医学领域，不同波长的激光可以用于特定的组织成像或治疗；在环境监测中，波长可调的激光器可以用于检测不同波长范围内的气体或污染物。此外，该激光器的热调谐能力也使其在温度变化较大的环境中具有更强的适应性，为在不同温度条件下工作的光电子器件提供了新的选择。

本研究的成果不仅推动了钙钛矿激光器技术的发展，也为集成光电子器件的实现提供了新的思路。通过将液晶材料与钙钛矿增益介质结合，研究人员成功构建了一种具有高调谐能力和稳定性的新型激光器。这种设计的灵活性和稳定性使其在未来的光电子器件中具有重要的应用价值。此外，该研究还为后续的钙钛矿激光器研究提供了重要的参考，特别是在如何优化液晶与钙钛矿材料之间的相互作用、如何提高器件的稳定性以及如何拓展调谐范围等方面，为未来的进一步研究奠定了基础。

在材料选择方面，本研究使用了多种高质量的材料。例如，铅碘化物（PbI?）和甲基铵碘化物（CH?NH?I）分别来自TCI Development Co., Ltd.和Xi’an Yuri Solar Co., Ltd.，确保了钙钛矿材料的纯度和性能。此外，用于调节腔长的PMMA材料以及用于制造电极的ITO薄膜也均为高质量材料，进一步提升了激光器的整体性能。液晶材料方面，研究使用了SLC1717和5CB两种不同的液晶，分别来自北京拜尔空间液晶技术有限公司和青岛齐源液晶有限公司，以验证不同液晶材料在调谐性能上的差异。

在钙钛矿薄膜的制备过程中，研究人员采用了溶液法制备技术，这一方法不仅成本低廉，而且适合大规模生产。通过旋涂法，研究人员能够精确控制钙钛矿薄膜的厚度和均匀性，从而确保其作为增益介质的性能。此外，实验中还采用了多种表征手段，包括光谱分析、电学测试和热稳定性测试，以全面评估激光器的性能。这些测试结果表明，该激光器在多种条件下均表现出良好的工作性能，为其在实际应用中的可靠性提供了保障。

综上所述，这项研究提出了一种基于液晶的连续波长可调钙钛矿VCSEL设计，成功克服了传统方法在结构稳定性和调谐能力方面的不足。该激光器在电场和温度变化下均表现出优异的调谐性能和稳定性，为未来集成光电子器件的发展提供了新的方向。随着钙钛矿材料和液晶技术的不断进步，这种新型激光器有望在更广泛的领域中得到应用，推动光电子技术的进一步发展。