近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員吳凱豐團(tuán)隊在膠體量子點激光研究中取得新進(jìn)展。團(tuán)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(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%的量子點液體激光器。相關(guān)成果分別發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》和《美國化學(xué)會·納米》上。
量子點液體激光器。大連化物所供圖
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(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(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，其實際應(yīng)用前景并不清晰。
本研究中，團(tuán)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(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)運行時間的問題，團(tuán)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(tuán)隊在納秒脈沖準(zhǔn)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(yīng)用的一個重要方向。
在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊通過對CdSe/ZnSe/ZnS核殼結(jié)構(gòu)量子點進(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)，延長了量子點的光增益壽命。結(jié)合雙脈沖泵浦的策略，團(tuán)隊進(jìn)一步規(guī)避了由俄歇衰退導(dǎo)致的增益淬滅問題，最終實現(xiàn)了17.2%的能量轉(zhuǎn)化效率。此外，團(tuán)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(jī)染料激光器。
相關(guān)論文信息：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/sciadv.adq9002、https://doi.org/10.1021/acsnano.5c06225
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