撰稿 | 常 浩 钟义驰 董红星 王振宇 谢 微 潘安练 张 龙
说明 | 本文是由论文作者投稿
量子点是由少量原子组成的准零维纳米量子结构，内部载流子三维受限，能量空间量子化，具有尺寸可调谐的发光、宽激发光谱、窄发射光谱、荧光效率高等优异特性，是极具发展潜力的下一代显示和固态能源材料。
艺术效果图：量子点
利用微纳结构作用机制，探寻有效复合技术，实现量子点随机光辐射行为具有很强的方向性和可控性，从而提高量子点荧光的高效应用和操控，一直以来都是国内外量子点微纳激光研究领域的热点：
然而，不难发现，虽然基于量子点增益的微纳激光研究最近几年进展明显，但当前研究水平仍处于初始阶段，主要集中在如何获得高品质因子、窄线宽和低阈值等优异激光性能，相关研究仍面临着量子点增益介质体系堆积密度较低导致的发光功率密度不够、量子点尺寸不均导致的发光波长展宽、量子点与光学微纳结构低效耦合导致阈值过高以及微集成光学系统组件高效稳定工作需求等系列瓶颈性难题有待突破。
新一代微纳激光光源作为当前微纳光电子领域研究的焦点之一，是面向未来光子芯片集成系统应用和全光通信器件研究的核心和基础。然而，发展至今，微纳结构微型激光研究仍面临诸多重大挑战。
不同于传统的大尺寸固态激光系统，新一代微纳激光光源面临系列难题：小尺寸高光学增益的新兴材料开发、微纳尺度下高品质光学腔体的制备并兼容片上微集成特性、可高温稳定运行并具备低成本批量化生产潜力等面向实际应用和商业化的需求。研制兼具“低阈值、窄线宽、高强度等优异激光特性”和“超稳定、低成本、微集成等优异应用潜力”的微纳激光光源无论是对材料研究还是基础光物理探索以及技术应用来说都具有重要意义。
近日，中国科学院上海光学精密机械研究所和华东师范大学、湖南大学等国内研究机构合作，在高温稳定量子点微纳激光光源研究领域取得重要进展。研究团队创新的提出基于量子点自组装微纳结构固化的实验技术方案，成功开发了超稳定、低成本、微集成、宽带可调谐的高温单模微纳激光光源。
该研究成果以 Ultrastable low-cost colloidal quantum dot microlasers of operative temperature up to 450 K 为题在线发表在Light: Science & Applications。
在此项工作中，研究团队创新的提出基于胶体量子点自组装与溶胶-凝胶固化相结合的技术方案，在溶胶过程中，利用电解质诱导，打破胶体量子点平衡态，使其快速聚集组装成密堆积的三维球状微纳结构，再经凝胶过程快速固化形成二氧化硅保护基底，从而实现了量子点自组装球状微纳结构的构建、固化和集成（图1）。
图1 基于量子点增益的微纳激光研究所面临的三大核心问题以及相应解决方案
这种全新的材料结构体系既可以作为光增益介质，也可以用作光学谐振器，是增益介质与光学微纳结构的完美理想组合。在外加光学激励下，利用量子点三维球状微纳结构的高效光学增益和反馈，可以获得高品质因子、窄线宽和低阈值的高品质单模激光，从而解决了传统量子点微纳激光研究中增益介质堆积密度低和增益与微纳结构低效耦合等核心难题。
随着新一代光电子器件小型化和集成化的发展趋势，在高度集成的微型器件中，传统的水冷方法无法有效解决散热问题，这就要求小型化的光学元器件可以在高温环境下稳定运行。然而，热效应诱导的表面配体脱落和原子间位错会导致胶体量子点产生非辐射俘获中心和表面缺陷，使其在高温环境下发生荧光淬灭，这也是限制量子点进一步实际应用的关键问题。
该研究工作中，基于二氧化硅基质的优异稳定性，研究人员在450 K下获得了长效稳定输出的高温量子点单模激光，这也是目前所报道的最高量子点激光器工作温度，该项研究为实现小型化光电子元器件的高温稳定运行提供了直接解决方案。此外，通过调节胶体量子点的组分和尺寸，高温单模激光甚至可以扩展到整个可见光谱范围（图2d）。
图2 可集成的高温宽带可调谐量子点单模微纳激光光源
从商业化应用角度出发，这种创新的、独特但通用的基于自组装和溶胶-凝胶固化相结合的溶液可加工技术方案开发微纳激光光源是极具吸引力和发展前景的。相比于传统的设备昂贵、工艺复杂、制备周期长的外加光学腔加工方法，其在室温液相条件下即可进行，方法简单、易于操控，大大降低制造成本，从而有利于大规模批量化生产，所开发的微纳激光光源可高密度集成在微型基板中，有望构建经济型超亮片上光源。
该项研究独辟蹊径，在单一透明二氧化硅平台上实现微纳激光光源的集成和高温稳定高品质单模激光输出，突破了当前量子点微纳激光光源领域的研究瓶颈。
该项研究从微纳激光基础性能研究出发，拓展到微型集成器件高温稳定运行的实际应用需求以及对低成本、大规模生产的商业化应用展望，实质性的推动了量子点微纳激光光源研究的发展，同时也为新型微纳结构激光器、高温微型器件、小型化光学传感器、低成本光通信设备和集成光子芯片等研究提供了材料基础和可行性探索思路。
Chang, H., Zhong, Y., Dong, H. et al. Ultrastable low-cost colloidal quantum dot microlasers of operative temperature up to 450 K. Light Sci Appl 10, 60 (2021).
本文第一作者为中国科学院上海光学精密机械研究所博士生常浩和国科大杭州高等研究院博士后钟义驰，通讯作者为中国科学院上海光学精密机械研究所董红星研究员和张龙研究员、华东师范大学谢微研究员。
https://doi.org/10.1038/s41377-021-00508-7
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