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(zhì)，通過法布里-珀羅諧振腔耦合及雙脈沖泵浦設計，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%的量子點液體激光器。相關成果分別發(fā)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(huán)散熱，具有優(yōu)異的功率放大優(yōu)勢。量子點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(xiàn)有研究多局限于低激發(fā)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(zhuǎn)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(wěn)定性欠佳，其固態(tài)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(xù)運行時間的問題，團隊開發(fā)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(xù)波的泵浦下實現(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現(xiàn)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(jié)構(gòu)量子點進行殼層組分連續(xù)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(jié)合雙脈沖泵浦的策略，團隊進一步規(guī)避了由俄歇衰退導致的增益淬滅問題，最終實現(xiàn)了17.2%的能量轉(zhuǎn)化效率。此外，團隊開發(fā)的合成方法可實現(xiàn)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(xiàn)出優(yōu)異的激光性能。這些結(jié)果表明，量子點液體激光有望在未來替代穩(wěn)定性較差的傳統(tǒng)有機染料激光器。