最新Nat. Mater.：胶体量子点液体激光器

一、【科学背景】

胶体量子点（QDs），作为一种前沿的光学增益材料，正受到科学界的广泛关注，被积极探索应用于液态激光器的开发中，这种激光器在功能上类似于染料激光器。尽管染料激光器在科研领域和诊断技术中展现出了其独特价值，但其性能却常常受限于非辐射三重态的干扰以及材料本身的降解问题。

相比之下，量子点在液态环境中生长，这一特性赋予了它们易于操控的优势，同时也为解决传统染料存在的稳定性挑战提供了潜在途径。然而，早期科学家们试图利用普通量子点来实现激光发射的尝试并未取得预期的成功。这一困境主要归因于多载流子光学增益态内部发生的快速非辐射复合过程，这一过程极大地阻碍了激光的有效产生。

二、【创新成果】

美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Victor I. Klimov引领了一项开创性研究，展示了一种采用胶体量子点（QDs）溶液的创新型液态激光器。这项研究的核心在于，通过运用具备类似三激子的光学增益状态的（I + II）型量子点，有效地克服了快速非辐射俄歇复合过程的能量损失难题。结合精密设计的Littrow光学腔，这些量子点在静态溶液中展现出了稳定的激光发射特性，其波长调节范围广泛，覆盖从634 nm至575 nm。这一突破性成果不仅证实了基于量子点的液态激光器在技术层面的可行性，而且展示了其卓越的光谱可调性能以及无需依赖传统染料激光器所必需的复杂循环系统便能维持稳定运行的显著优势。相关研究成果已在权威科学期刊《Nature Materials》上发表，题为“Colloidal Quantum Dots Enable Tunable Liquid-State Lasers，”标志着量子点在激光技术领域应用的一个重要里程碑。

图1. 普通双激子与混合双激子 © 2024 Springer Nature Limited

图2. (I + II)型量子点的结构和光学特性 © 2024 Springer Nature Limited

图3. (I + II)型量子点中的双激子 © 2024 Springer Nature Limited

图4. (I + II)型量子点中的光学增益 © 2024 Springer Nature Limited

图5. (I + II)型量子点的液态激光发射 © 2024 Springer Nature Limited

三、【科学启迪】

该研究的成果明确指出，（I + II）型量子点（QDs）作为传统激光染料的直接替代选项，蕴含着巨大的潜力。与当前基于染料的系统相较，它们不仅极大地简化了激光器的结构设计，还显著缩减了设备的物理占用空间，从而提升了系统的集成度和实际应用价值。这项研究不仅有力地证明了液态量子点激光器在技术实现上的可行性，更为激光技术的未来发展开辟了新的道路，提供了更为丰富的可能性。它不仅标志着量子点在激光技术领域的又一重要突破，也预示着激光技术在多个领域将迎来更加广泛的应用前景。

原文信息：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