近日，我所化學反應動力學全國重點實驗室光電材料動力學研究組(1121組)吳凱豐研究員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。

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(guān)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。

吳凱豐團隊一直致力于量子點的超快光物理及其激光應用研究，團隊的近期研究成果初步展示了俄歇抑制型的量子點可以實現(xiàn)穩(wěn)定的液體激光輸出(Nat.Nanotechnol.，2025;Adv. Mater.，2024)。

在本研究中，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(chǔ)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。

上述兩項工作分別以 “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《科學進展》(Science Advances)和《美國化學會·納米》(ACS Nano)上。上述工作得了國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“基于極紫外光源的化學反應過渡態(tài)精準探測”、中國科學院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃、新基石科學基金會科學探索獎、遼寧省濱海實驗室開放創(chuàng)新基金、我所創(chuàng)新基金等項目的資助。

審核編輯 黃宇