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研究背景
液态激光器是基于液态增益介质产生激光的器件，因其光谱调谐范围宽、增益系数高等优势在科研与诊断领域受到广泛关注。然而，传统液态激光器主要依赖有机染料，这类染料激光器因三重态非辐射猝灭和高泵浦强度下的材料降解问题，导致性能和稳定性受限，同时需要复杂的循环系统以缓解这些问题，这显著增加了器件的复杂性和体积。
有鉴于此，研究人员开始探索使用胶体量子点（QDs）替代有机染料作为液态激光增益介质的可能性。量子点因其尺寸可调的光学特性和较高的化学稳定性，被认为是染料激光器的潜在替代品。然而，传统量子点面临快速非辐射奥吉尔复合的问题，这种复合效应显著缩短了光学增益寿命，导致液态量子点样品难以达到激光阈值浓度，从而限制了其应用。
为解决这一挑战，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室Donghyo Hahm，Victor I. Klimov团队在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Colloidal quantum dots enable tunable liquid-state lasers”的最新论文。科学家提出使用类型（I+II）量子点，这种量子点通过形成混合双激子状态，显著抑制了奥吉尔复合效应，延长了光学增益寿命。
研究表明，基于类型（I+II）量子点的静态液态溶液结合Littrow光学腔，可以实现从634nm到575nm波长范围内稳定的激光输出。这一研究为开发无需循环系统的紧凑型液态激光器提供了新路径，并展示了通过调控量子点结构实现广泛光谱可调性的潜力。
研究亮点
1.实验首次实现使用类型（I+II）量子点溶液的液态激光器
本研究首次利用类型（I+II）胶体量子点（QDs）溶液作为激光增益介质，成功克服了传统量子点中快速非辐射奥吉尔复合的挑战。通过引入具有类似三重态的光学增益状态，这种类型（I+II）量子点显著抑制了奥吉尔复合，为实现液态激光器奠定了基础。
2.实验通过结合Littrow光学腔体实现了稳定且可调的激光输出
光谱可调范围宽广：实验中，静态（非循环）量子点溶液结合Littrow腔体，展现出从634nm到575nm的稳定激光输出，证明其具有良好的光谱可调性。
无需循环系统：与传统染料激光器相比，这种液态激光器无需复杂的循环系统，设备更为紧凑，集成性更强。
潜在波长范围广：通过调整量子点的组成、尺寸和结构，可进一步扩展激光输出的波长范围，展现出广阔的应用潜力。
图1：普通双激子与混合双激子。
图2: (I + II)型量子点的结构和光学特性。
图3: (I + II)型量子点中的双激子。
图4: (I + II)型量子点的光学增益。
图5: (I + II)型量子点的液态激光。
总结展望
本文通过创新性地使用类型（I+II）胶体量子点（QDs）解决了传统液态染料激光器的关键挑战。传统染料激光器因非辐射奥吉尔复合和材料退化问题受到限制，而QDs 的引入显著抑制了奥吉尔复合，使得光学增益的稳定性得以提升。这种新型QDs激光器不仅实现了从634 nm到575 nm的宽光谱可调谐性，还摆脱了循环系统的依赖，简化了设备设计，提高了集成性和实用性。此外，QDs 的组成、尺寸和结构的可调性为开发多波长、灵活应用的激光器提供了可能性。这一研究不仅展示了液态量子点激光器的可行性，还为研发更小型化、低复杂度且易于整合的光学器件开辟了新方向，同时为未来量子点材料在激光技术中的应用提供了理论依据和实验参考。
原文详情：
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
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