一种钙钛矿分布式反馈激光器及其制备方法

本发明属于激光器，尤其是涉及一种基于双光束干涉光刻技术的钙钛矿分布式反馈激光器及其制备方法。

背景技术：

1、电泵浦半导体激光器具有结构紧凑、寿命长、可直接调制等优点，在制造业、医疗、通信、大数据等领域发挥着重要作用，是国防科技和国民经济中一种不可或缺的支撑技术。随着中国发展，高性能、低成本的半导体激光器正成为日益迫切的需求。传统无机半导体激光器虽然性能优异，但复杂的制备工艺限制了其生产的低成本化。有机半导体和量子点具有较大的光学增益，且可采用低成本的溶液法加工。然而，较差的载流子传输性能和较强的激子-激子淬灭或俄歇(auger)复合严重制约着有机和量子点电泵浦激光的发展(nature,1997,389(6649):362-364.)。

2、金属卤化物钙钛矿材料作为一类新型的半导体材料，兼具无机和有机半导体的诸多优点，如可溶液法制备、增益系数大、载流子迁移率高等，申请人进一步探索突破传统半导体光电材料的技术瓶颈，实现高性能、低成本的电泵浦半导体激光器。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服上述不足之处，提供一种基于双光束干涉光刻技术的钙钛矿分布式反馈激光器。

2、本发明的另一目的是提供上述钙钛矿分布式反馈激光器的制备方法。该方法是在基底上用双光束干涉光刻技术制备大面积、高质量的光栅，再在光栅上用溶液法制备钙钛矿薄膜，得到低阈值的钙钛矿激光器。

3、本发明的目的是通过以下方式实现的：

4、一种钙钛矿分布式反馈激光器，该钙钛矿激光器由下至上包括su8光刻胶光栅和钙钛矿发光层；所述的su8光刻胶光栅是将su8光刻胶稀释后旋涂在基底上，通过双光束干涉光刻法制备得到。

5、优选地，所述的基底选自ito玻璃或者蓝宝石。

6、优选地，所述的su8光刻胶稀释采用的稀释剂为环戊酮，su8光刻胶和环戊酮的混合体积比为1-5:1-20。所述的稀释光刻胶的稀释方法是按照体积比将su8光刻胶和环戊酮混合，摇匀，静置1-60min，排除气泡。

7、优选地，所述的基底在旋涂前进行前处理，前处理的步骤如下：将基底依次用乙醇和丙酮溶液超声清洗后氮气吹干，再放入等离子清洗机清洗。一方面去除表面残留的有机物，另一反面可以增加光刻胶在基底表面的浸润性。

8、优选地，所述的su8光刻胶光栅是通过匀胶、前烘、曝光、中烘、显影和后烘制备得到的。

9、优选地，所述的su8光刻胶光栅是通过以下步骤制备得到的：

10、(1)匀胶：将su8光刻胶旋涂在基底上；旋涂转速为4000rpm，加速500rpm，使光刻胶逐渐扩散到基底边缘且不产生气泡，持续时间为45s；

11、(2)前烘：将得到的样品静置10min，再在热台上65℃保持5-8min后，95℃保持3-5min，冷却至室温；优选65℃保持5min后，95℃保持3min；

12、(3)曝光：将得到的样品在激光双光束干涉光路上曝光得到光栅结构，优选将两束激光能量调整为0.4mj，曝光时间3-5秒；同时可通过调整激光双光束干涉光路上的反射镜和样品的夹角α，得到不同周期的光栅；

13、(4)中烘：将光栅在热台上65℃条件下保持5-6min后，再在95℃条件下保持5-6min，冷却至室温得到曝光后的su8胶；优选65℃条件下保持5min后，再在95℃条件下保持5min；

14、(5)显影：将曝光后的su8胶浸泡在显影液中1-2min，然后用氮气吹干；优选在显影液中的时间为1min；

15、(6)后烘：最后置于热台上170℃保持30min制备出su8光刻胶光栅。

16、上述钙钛矿分布式反馈激光器的制备方法，该方法包括以下步骤：

17、(1)将稀释后的光刻胶旋涂在基底上，通过激光双光束干涉光刻的方法制备su8光刻胶光栅；优选利用波长为355nm、脉宽为5ns，频率为10hz的opo激光器的激发，曝光时间3-5秒。

18、(2)将su8光刻胶光栅放入等离子清洗机清洗1秒至30分钟后，将钙钛矿前驱体溶液旋涂在su8光刻胶光栅上，得到钙钛矿分布式反馈激光器。优选等离子清洗机清洗处理10min。

19、优选地，步骤(2)中，在清洗过后带有dfb光栅的基底上旋涂zno的乙醇溶液，旋转速度为4000rpm，时间为45s，在150℃的条件下退火30min；将上述退火结束的样品转移到氮气手套箱中，取钙钛矿前驱体溶液旋涂在su8光刻胶光栅上，旋转速度为4000rpm，保持4s，然后放置在热台上，保持120℃10min，从而得到钙钛矿分布式反馈激光器。

20、优选地，所述的su8光刻胶包括su8-2005光刻胶。

21、优选地，步骤(2)所述的钙钛矿前驱体溶液质量分数为1-50％，进一步优选为25％。

22、优选地，上述方案中，可以通过改变钙钛矿原料中的pbi2，pbbr2和pbcl2的配比进而达到改变卤素比例的目的，实现钙钛矿激光的发射波长可调。所述钙钛矿发光层是在su8光刻胶光栅上利用溶液法制备的钙钛矿薄膜。进一步优选所述的钙钛矿薄膜为钙钛矿cspb(i0.8br0.2)3薄膜。

23、本发明方案中，可以通过调整激光双光束干涉光路上的反射镜和样品的夹角α，制备得到不同周期的分布式反馈光栅。在钙钛矿dfb激光器中，光栅质量严重影响激光器的发射，因此优化出高质量光栅尤为重要。其中，光刻胶的前中烘、曝光时间等因素严重影响光栅的质量。另外，光路的准直性、能量和偏振特性也使得两束激光具有相同的偏振和能量，避免光栅高度低。

24、上述激光双光束干涉光路按如下方法搭建：使用美国opotek公司生产、型号为radiant he 355ld的纳秒opo激光器作为干涉光源，激光光束经半波片和355nm的分束立方体，以实现激光能量的连续调节。快门通过usb接口与电脑连接，labview编程可对光束通过时间进行精确控制，之后光束经焦距分别为-25mm、250mm的双凹透镜和双凸透镜对光斑直径进行10倍扩束，再通过光阑截取均匀的光斑区域作为干涉光斑。然后将激光经过半波片和分束立方体的组合，将一束光分为偏振方向相互垂直的两束光，通过调节半波片的角度实现激光能量的连续调节，实现两束光的能量完全一样。再将分束后的其中一条光通过一个半波片，转动半波片的角度将偏振调至于另外一条光的偏振完全一致。再将能量、偏振完全一样的两束光通过两个355nm的反射镜反射到样品上，进行干涉。

25、与现有技术比较本发明的有益结果：

26、1.双光束干涉光刻可在低成本的条件下，实现大面积范围可调(0.01mm2-1m2)、周期可调(100nm-5μm)、高度可调(1nm-5μm)的图案制备，同时曝光过程操作简单。

27、2.dfb光学谐振腔对波长有良好的选择性和对阈值增益相对较大，可以有效地降低激光阈值，提高增益系数。因此，通过dfb结构的周期调节，并结合高质量钙钛矿薄膜，获得器件内的高品质(品质因子达5000以上)光学谐振腔，从而获得低的激光阈值(光泵激光阈值下降到10μj/cm2以下)。得到阈值低于50μj/cm2的准连续钙钛矿dfb激光器，并且有实现连续(cw)激光器甚至电泵浦激光器的潜力。