近日，中國科學院上海光學精密機械研究所激光與紅外材料實驗室由研究員張龍、研究員董紅星領銜的微結構光物理研究團隊與華東師范大學、湖南大學等國內研究機構合作，在膠體量子點高溫單模激光器研究領域取得重要進展。研究團隊首次提出基于膠體量子點自組裝微腔固化實驗方案，成功開發了超穩定、低成本、高品質、寬帶可調諧的高溫單模激光器。相關研究成果發表于《光：科學與應用》 （Light: Science & Applications）。
微納結構激光器作為一種小型化的強光源，在全光學芯片，高像素全彩顯示器和便攜式光通信設備中具有重要意義和廣泛應用。自上個世紀九十年代首次合成膠體量子點以來，由于其獨特的結構、非凡的光學特性以及低制備成本而受到廣泛關注。三十多年來，開發基于膠體量子點的高性能低成本微納激光器一直是研究人員所追尋的目標。然而，相關研究卻由于多重挑戰并存而遲滯不前。包括對激光器優異激光性能的基本追求，更進一步滿足連續工作穩定性和高溫環境實用性等實際應用條件的能力以及對最終面向低成本大規模生產的商業潛力適配性。近年來，盡管研究人員投入了大量精力并取得了一定進展，但是當前的量子點激光器研究水平仍處于初始階段，主要集中在如何獲得高品質因子、窄線寬和低閾值等優異激光性能。即便如此，目前的量子點激光器仍面臨著增益介質堆積密度較低、量子點與光學腔耦合效率低下以及微型化復雜系統的熱穩定性差等諸多核心問題迫切需要解決。
研究團隊首次創新的提出基于膠體量子點自組裝與溶膠-凝膠固化相結合的技術方案，制備了嵌入二氧化硅基質的量子點自組裝光學微球腔，以此打破當前量子點激光器的研究瓶頸。首先，研究人員在這種高增益介質堆積密度、量子點與光學腔高效耦合的微球結構中獲得了高品質因子、窄線寬和低閾值的優異單模激光性能。進一步的，基于二氧化硅基質的優異穩定性，研究人員首次將膠體量子點激光器的工作溫度提升到450 K，獲得了長效穩定輸出的高溫量子點單模激光器，這也是目前所報道的最高工作溫度。通過調節膠體量子點的組分和尺寸，高溫單模激光甚至可以擴展到整個可見光譜范圍。此外，如何解決散熱問題是下一代高度集成化光電子器件固有的、不可避免的難題，該項研究為實現小型化光電子元器件的高溫穩定運行提供了直接解決方案。更重要的是，這種創新的溶液可加工技術方案相比于傳統的設備昂貴、工藝復雜、制備周期長的外加光學腔加工方法，其在室溫液相條件下即可進行，方法簡單、易于操控并且可大規模批量化生產，所開發的微型激光器可高密度集成在微型基板中，有望構建經濟型超亮片上光源。綜上，該研究工作獨辟蹊徑，突破了當前量子點激光器工作的研究瓶頸，實質性的推動了量子點微納激光器從基礎性能研究向實用化、商業化的發展，為新型微納結構激光器、高溫微型器件和小型化光學傳感器、低成本光通信設備和集成光子芯片等研究提供了新的思路。
圖1 膠體量子點激光器研究所面臨的三大核心問題以及相應解決方案
圖2 可集成的高溫寬帶可調諧膠體量子點單模激光器
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