科學家開發出超穩定高效率量子點液體激光器

近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員吳凱豐團隊在膠體量子點激光研究中取得新進展。團隊采用膠體量子點溶液作為增益介質，通過法布里-珀羅諧振腔耦合及雙脈沖泵浦設計，開發出連續穩定工作10天以上、能量轉化效率大于17%的量子點液體激光器。相關成果分別發表在《科學進展》和《美國化學會·納米》上。

激光器的熱管理能力是決定其最大輸出功率的關鍵因素。與固體激光器相比，液體激光器可以通過循環散熱，具有優異的功率放大優勢。量子點是一種在溶液相合成的納米晶體，其發光波長可通過元素組成和尺寸進行連續可調，具備成為理想液體激光增益介質的基本條件。然而，過去二十余年的量子點激光的研究主要集中在固體薄膜狀態，希望通過提高量子點的堆積密度來克服多激子非輻射俄歇復合導致的增益壽命淬滅問題。此外，現有研究多局限于低激發功率下的光譜的壓窄和強度的突變表征，鮮有關于輸出功率和能量轉化效率的報道，其實際應用前景并不清晰。

本研究中，團隊以鉛鹵鈣鈦礦量子點材料作為研究對象。針對鈣鈦礦材料熱穩定性欠佳，其固態器件因無法進行有效熱管理而導致快速的熱衰退，降低鈣鈦礦激光器連續運行時間的問題，團隊開發了基于CsPbBr₃和CsPbI₃鈣鈦礦量子點溶液的液體激光器。通過將量子點溶液與法布里-珀羅諧振腔耦合，團隊在納秒脈沖準連續波的泵浦下實現了穩定的激光輸出，激光波長分別為537nm與690nm。通過調節鹵素離子組成，原則上可實現400至700nm光譜范圍的連續可調諧激光輸出。更重要的是，通過循環散熱，該激光器在連續運行10天后，仍保持穩定的激光性能，未表現任何形式的性能衰退，證明了液體激光是實現鈣鈦礦激光應用的一個重要方向。

在此基礎上，團隊通過對CdSe/ZnSe/ZnS核殼結構量子點進行殼層組分連續漸變設計，有效抑制了多激子俄歇效應，延長了量子點的光增益壽命。結合雙脈沖泵浦的策略，團隊進一步規避了由俄歇衰退導致的增益淬滅問題，最終實現了17.2%的能量轉化效率。此外，團隊開發的合成方法可實現單次制備超過10升的該類量子點溶液，且這些量子點在水相中同樣展現出優異的激光性能。這些結果表明，量子點液體激光有望在未來替代穩定性較差的傳統有機染料激光器。

相關論文信息：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adq9002、https://doi.org/10.1021/acsnano.5c06225