近日，我所化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室光電材料動力學(xué)研究組(1121組)吳凱豐研究員團(tuán)隊(duì)在膠體量子點(diǎn)激光研究中取得新進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)采用膠體量子點(diǎn)溶液作為增益介質(zhì)，通過法布里-珀羅諧振腔耦合及雙脈沖泵浦設(shè)計，開發(fā)出連續(xù)穩(wěn)定工作10天以上、能量轉(zhuǎn)化效率大于17%的量子點(diǎn)液體激光器。

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

吳凱豐團(tuán)隊(duì)一直致力于量子點(diǎn)的超快光物理及其激光應(yīng)用研究，團(tuán)隊(duì)的近期研究成果初步展示了俄歇抑制型的量子點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的液體激光輸出(Nat.Nanotechnol.，2025;Adv. Mater.，2024)。

在本研究中，團(tuán)隊(duì)以鉛鹵鈣鈦礦量子點(diǎn)材料作為研究對象。針對鈣鈦礦材料熱穩(wěn)定性欠佳，其固態(tài)器件因無法進(jìn)行有效熱管理而導(dǎo)致快速的熱衰退，降低鈣鈦礦激光器連續(xù)運(yùn)行時間的問題，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于CsPbBr3和CsPbI3鈣鈦礦量子點(diǎn)溶液的液體激光器。通過將量子點(diǎn)溶液與法布里-珀羅諧振腔耦合，團(tuán)隊(duì)在納秒脈沖準(zhǔn)連續(xù)波的泵浦下實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的激光輸出，激光波長分別為537nm與690nm。通過調(diào)節(jié)鹵素離子組成，原則上可實(shí)現(xiàn)400至700nm光譜范圍的連續(xù)可調(diào)諧激光輸出。更重要的是，通過循環(huán)散熱，該激光器在連續(xù)運(yùn)行10天后，仍保持穩(wěn)定的激光性能，未表現(xiàn)任何形式的性能衰退，證明了液體激光是實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦激光應(yīng)用的一個重要方向。

在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)通過對CdSe/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點(diǎn)進(jìn)行殼層組分連續(xù)漸變設(shè)計，有效抑制了多激子俄歇效應(yīng)，延長了量子點(diǎn)的光增益壽命。結(jié)合雙脈沖泵浦的策略，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步規(guī)避了由俄歇衰退導(dǎo)致的增益淬滅問題，最終實(shí)現(xiàn)了17.2%的能量轉(zhuǎn)化效率。此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的合成方法可實(shí)現(xiàn)單次制備超過10升的該類量子點(diǎn)溶液，且這些量子點(diǎn)在水相中同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的激光性能。這些結(jié)果表明，量子點(diǎn)液體激光有望在未來替代穩(wěn)定性較差的傳統(tǒng)有機(jī)染料激光器。

上述兩項(xiàng)工作分別以 “Ultrastable lasing from perovskite colloidal nanocrystals”和“Stable,Efficient,and Scalable Multicolor Lasing from Colloidal Quantum Dots in Liquids”為題，于近日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)和《美國化學(xué)會·納米》(ACS Nano)上。上述工作得了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“基于極紫外光源的化學(xué)反應(yīng)過渡態(tài)精準(zhǔn)探測”、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計劃、新基石科學(xué)基金會科學(xué)探索獎、遼寧省濱海實(shí)驗(yàn)室開放創(chuàng)新基金、我所創(chuàng)新基金等項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇