微纳激光器是光子芯片的核心器件之一，在高速光通讯、高分辨率生物成像和传感等领域具有重要应用前景。然而，随着器件尺寸的减小，微腔损耗和材料损耗显著增加，导致激射阈值也随之上升。因此，小尺寸和低阈值之间的矛盾一直是激光器微型化进程中被广泛接受的权衡难题。

钙钛矿材料因其优异的光学与制备特性而备受关注。它不仅制备工艺简单、结构灵活可控，同时具高光学增益和宽范围可调的带隙。因此，钙钛矿被认为是实现高性能微纳激光器的理想材料选择。特别是二维和准二维钙钛矿，其天然形成的多层量子阱结构可实现强量子限域效应，使激子能够在室温下稳定存在，并为双激子的形成创造了有利条件。双激子发射峰与材料吸收峰重叠区域更小，可显著抑制光子再吸收损耗，为实现低阈值激光发射提供了关键的材料基础。

近日，国家纳米科学中心刘新风课题组在准二维钙钛矿微腔中取得了重要突破。首次实现了反常尺寸-阈值依赖关系，获得了具有低阈值（<14 μJ/c㎡）和超快切换（~5 ps）功能的微纳激光光源。研究团队通过权衡俄歇复合和激子束缚能的影响，采用反溶剂法，获得了高质量、纯相的n=2 Ruddlesden–Popper钙钛矿微米片，并借助其自身形成的回音壁光学微腔，系统研究了尺寸对激光性能的影响。

研究结果显示，随着微米片尺寸减小，激光发射阈值显著降低。这一趋势与传统III-V族半导体、三维钙钛矿等材料的中的行为完全相反。结合电场分布模拟与光谱分析，证实该激射来源于双激子发射，并揭示其反常尺寸效应来源于不同尺寸下激子再吸收过程的差异。在小尺寸微腔中，光子循环过程受到抑制，使得双激子形成与增益占据主导，从而实现更低阈值的激光发射。

此外，研究还发现这种微腔激光光源具有皮秒级光开关能力。通过双光束泵浦实验，实现了对双激子激光的“关闭-重启”控制，关闭时间随尺寸减小而缩短，最短可达 5 ps。这表明该体系不仅在稳态性能上打破常规，在高速光开关方面也表现出显著潜力，为未来超快光计算与高速片上光互联提供了新的器件可能。

这项工作不仅揭示了基于双激子过程的尺寸-性能调控新机制，也为发展低阈值、高速度、可集成的新型纳米激光器提供了切实可行的方案，对推动集成光子学与紧凑型光信息处理系统的发展具有重要意义。相关研究成果以Anomalous Scaling Enables Lower-Threshold and Ultrafast Switchable Nanolasing in a Phase-Pure Quasi-2D Perovskite Cavity为题发表在ACS Nano上。

国家纳米科学中心副研究员杜文娜为论文第一作者和共同通讯作者，国家纳米科学中心刘新风研究员和北京大学张青副教授为论文通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金项目的大力支持。

图1. 反常尺寸-阈值依赖关系的准二维钙钛矿微纳激光。(a) 准二维钙钛矿微片激射阈值随尺寸减小而降低，与传统半导体及三维钙钛矿等趋势相反；(b) 光子循环与双激子激射竞争产生的反常尺寸关系示意图。

   原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c20838