科学家开发出超稳定高效率量子点液体激光器

近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员吴凯丰团队在胶体量子点激光研究中取得新进展。团队采用胶体量子点溶液作为增益介质，通过法布里-珀罗谐振腔耦合及双脉冲泵浦设计，开发出连续稳定工作10天以上、能量转化效率大于17%的量子点液体激光器。相关成果分别发表在《科学进展》和《美国化学会·纳米》上。

激光器的热管理能力是决定其最大输出功率的关键因素。与固体激光器相比，液体激光器可以通过循环散热，具有优异的功率放大优势。量子点是一种在溶液相合成的纳米晶体，其发光波长可通过元素组成和尺寸进行连续可调，具备成为理想液体激光增益介质的基本条件。然而，过去二十余年的量子点激光的研究主要集中在固体薄膜状态，希望通过提高量子点的堆积密度来克服多激子非辐射俄歇复合导致的增益寿命淬灭问题。此外，现有研究多局限于低激发功率下的光谱的压窄和强度的突变表征，鲜有关于输出功率和能量转化效率的报道，其实际应用前景并不清晰。

本研究中，团队以铅卤钙钛矿量子点材料作为研究对象。针对钙钛矿材料热稳定性欠佳，其固态器件因无法进行有效热管理而导致快速的热衰退，降低钙钛矿激光器连续运行时间的问题，团队开发了基于CsPbBr₃和CsPbI₃钙钛矿量子点溶液的液体激光器。通过将量子点溶液与法布里-珀罗谐振腔耦合，团队在纳秒脉冲准连续波的泵浦下实现了稳定的激光输出，激光波长分别为537nm与690nm。通过调节卤素离子组成，原则上可实现400至700nm光谱范围的连续可调谐激光输出。更重要的是，通过循环散热，该激光器在连续运行10天后，仍保持稳定的激光性能，未表现任何形式的性能衰退，证明了液体激光是实现钙钛矿激光应用的一个重要方向。

在此基础上，团队通过对CdSe/ZnSe/ZnS核壳结构量子点进行壳层组分连续渐变设计，有效抑制了多激子俄歇效应，延长了量子点的光增益寿命。结合双脉冲泵浦的策略，团队进一步规避了由俄歇衰退导致的增益淬灭问题，最终实现了17.2%的能量转化效率。此外，团队开发的合成方法可实现单次制备超过10升的该类量子点溶液，且这些量子点在水相中同样展现出优异的激光性能。这些结果表明，量子点液体激光有望在未来替代稳定性较差的传统有机染料激光器。

相关论文信息：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adq9002、https://doi.org/10.1021/acsnano.5c06225