研究背景
液態激光器是基于液態增益介質產生激光的器件，因其光譜調諧范圍寬、增益系數高等優勢在科研與診斷領域受到廣泛關注。然而，傳統液態激光器主要依賴有機染料，這類染料激光器因三重態非輻射猝滅和高泵浦強度下的材料降解問題，導致性能和穩定性受限，同時需要復雜的循環系統以緩解這些問題，這顯著增加了器件的復雜性和體積。有鑒于此，研究人員開始探索使用膠體量子點（QDs）替代有機染料作為液態激光增益介質的可能性。量子點因其尺寸可調的光學特性和較高的化學穩定性，被認為是染料激光器的潛在替代品。然而，傳統量子點面臨快速非輻射奧吉爾復合的問題，這種復合效應顯著縮短了光學增益壽命，導致液態量子點樣品難以達到激光閾值濃度，從而限制了其應用。 為解決這一挑戰，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Donghyo Hahm，Victor I. Klimov團隊在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Colloidal quantum dots enable tunable liquid-state lasers”的最新論文。科學家提出使用類型（I+II）量子點，這種量子點通過形成混合雙激子狀態，顯著抑制了奧吉爾復合效應，延長了光學增益壽命。研究表明，基于類型（I+II）量子點的靜態液態溶液結合Littrow光學腔，可以實現從634nm到575nm波長范圍內穩定的激光輸出。這一研究為開發無需循環系統的緊湊型液態激光器提供了新路徑，并展示了通過調控量子點結構實現廣泛光譜可調性的潛力。
研究亮點
1.實驗首次實現使用類型（I+II）量子點溶液的液態激光器
本研究首次利用類型（I+II）膠體量子點（QDs）溶液作為激光增益介質，成功克服了傳統量子點中快速非輻射奧吉爾復合的挑戰。通過引入具有類似三重態的光學增益狀態，這種類型（I+II）量子點顯著抑制了奧吉爾復合，為實現液態激光器奠定了基礎。
2.實驗通過結合Littrow光學腔體實現了穩定且可調的激光輸出
- 光譜可調范圍寬廣：實驗中，靜態（非循環）量子點溶液結合Littrow腔體，展現出從634nm到575nm的穩定激光輸出，證明其具有良好的光譜可調性。
- 無需循環系統：與傳統染料激光器相比，這種液態激光器無需復雜的循環系統，設備更為緊湊，集成性更強。
- 潛在波長范圍廣：通過調整量子點的組成、尺寸和結構，可進一步擴展激光輸出的波長范圍，展現出廣闊的應用潛力。
圖文解讀
圖2: (I?+?II)型量子點的結構和光學特性。
總結展望
本文通過創新性地使用類型（I+II）膠體量子點（QDs）解決了傳統液態染料激光器的關鍵挑戰。傳統染料激光器因非輻射奧吉爾復合和材料退化問題受到限制，而QDs 的引入顯著抑制了奧吉爾復合，使得光學增益的穩定性得以提升。這種新型QDs激光器不僅實現了從634?nm到575?nm的寬光譜可調諧性，還擺脫了循環系統的依賴，簡化了設備設計，提高了集成性和實用性。此外，QDs 的組成、尺寸和結構的可調性為開發多波長、靈活應用的激光器提供了可能性。這一研究不僅展示了液態量子點激光器的可行性，還為研發更小型化、低復雜度且易于整合的光學器件開辟了新方向，同時為未來量子點材料在激光技術中的應用提供了理論依據和實驗參考。Hahm, D., Pinchetti, V., Livache, C. et al. Colloidal quantum dots enable tunable liquid-state lasers. Nat. Mater. (2024). https://doi.org/10.1038/s41563-024-02048-y
