近日，庄松林院士领衔的未来光学实验室、谷付星教授课题组在国际顶级期刊Advanced Materials（影响因子30.849）上发表了题为“用于低阈值激光的直接带隙双层硒化钨(WSe2)/微球一体腔”（”Direct-Bandgap Bilayer WSe2/Microsphere Monolithic Cavity for Low-Threshold Lasing”）的研究成果。该论文由谷付星教授和于佳鑫副教授为共同通讯作者，于佳鑫副教授与博士生邢帅为并列第一作者。该研究工作的方案设计、实验、模拟工作均在上海理工大学未来光学实验室完成。
近年来，光子集成芯片因具有响应速度快、频带更宽、线路损耗更低等优势，被认为是未来高性能集成芯片的有力竞争者。微纳激光器件最为其重要组成部分之一，常常受制于功耗过高和加工成本高昂等问题。微球是一种优异的光学微腔结构，在泵浦光的激发下可以产生高品质因子的回音壁模式振荡，在微纳激光、光学传感等领域均获得广泛关注。相比于其他需要高精密加工技术的常见微腔（如F‒P微腔、WG微腔、光子晶体微腔等），微球可以通过批量工业生产来获得，是一种低成本、高产率、重复性好的微腔选择；若利用单层过渡金属硫族化合物作为增益介质，其单分子量级的材料厚度和极高的量子产率，在超高集成度、低能耗的微纳激光方面具有良好的工业实用前景。基于这一想法，集成光机电团队创新性的提出了将双层WSe2包覆沉积于微球表面，二者通过范德华力结合，在技术上有效的解决了脆弱的二维材料与复杂曲面的粘合性这一棘手问题；而沉积过程引入的材料曲面应变，巧妙的将双层材料的间接电子带隙转变为直接带隙，进而将光致发光强度显著提高近60倍；此外，这种增益介质/微腔的一体结构也大大提升了腔体对光的约束性。基于上述优势，研究人员实现了0.72W/cm2的超低阈值微纳激光，比现有激光阈值记录低近一个数量级。该研究成果首次证明了使用多层过渡金属硫族化合物作为二维增益介质的可能性，同时也为超紧凑激光器件提供了一种新的思路。
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论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202106502