南京邮电大学黄维院士、赖文勇教授团队Nat. Mater. ：有机半导体拉曼激光取得突破性进展

【科学背景】

有机半导体，因其独特的光电性能，尤其是在柔性化、大面积、低成本以及节能环保等方面的显著优势，被认为是引领信息科技的颠覆性创新技术、“未来柔性电子技术的核心材料”，已经在发光二极管、太阳能电池、晶体管和激光器等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，现有的非线性光学技术通常需要巨大能量才能产生明显的非线性光学效应。有机半导体自身光损伤风险较高，严重制约了其在非线性光学领域的应用。作为典型代表，受激拉曼散射因其特有的分子振动特征信号和灵活的光谱可调谐性，引领了拉曼激光器、相干拉曼散射显微成像、硅基集成光子学等前沿领域的发展。然而，分子振动产生的拉曼增益普遍较低，需要施加较高泵浦能量才能克服损耗并获取净光学增益。如何实现“低阈值、高增益”的拉曼激射，一直是全球科学家面临的难题。

【创新成果】

南京邮电大学柔性电子全国重点实验室黄维院士、赖文勇教授团队与香港浸会大学谢国伟教授、新加坡国立大学刘小钢院士合作，在有机半导体非线性光学研究领域取得里程碑式进展。团队创新提出“光谱调谐增益诱导拉曼激射”理论模型，揭示了分子振动与受激辐射共振匹配的核心机制，首次成功在有机半导体材料中实现拉曼信号的指数级放大和高效多阶拉曼激射，而且无需依赖复杂的光学微腔结构。该研究突破了传统非线性光学理论中“分子振动增益弱、依赖高能量泵浦”的瓶颈，为拓展有机半导体在拉曼激光等非线性光学领域的应用奠定了理论基础，更为发展柔性拉曼激光器、实现高精度传感检测等提供新思路新方法。

研究成果近期以“Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors”为题发表在国际顶级学术期刊Nature Materials（DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9）。柔性电子全国重点实验室黄维院士、赖文勇教授、香港浸会大学谢国伟教授和新加坡国立大学刘小钢院士为论文的共同通讯作者，南京邮电大学化学与生命科学学院江翼教授、硕士研究生林赫和潘劲强为论文共同第一作者。英国圣安德鲁斯大学Ifor Samuel教授为结果数据分析和论文提升提供了大量帮助和建议。

【核心创新点】

STGI-SRS：从量子光学与分子振动的协同耦合机制出发，提出受激辐射与拉曼散射共振匹配理论，发展了“光谱调谐增益诱导拉曼激射”新方法，成功实现拉曼信号的指数级放大。

低拉曼阈值：基于该方法制备的拉曼光学器件展现出超低阈值（20-50 μJ/cm²），比现有主流拉曼激光器降低了4个数量级。

高信噪比和宽调谐范围：拉曼激射信号呈现出超强的能量输出，信噪比可以达到30分贝以上，并成功实现带宽超过110 nm的级联拉曼信号。

高信噪比：在2.0至3.1 mJ/cm²的泵浦通量下评估SpL(2)-1薄膜的信噪比，其一至三阶STGI-SRS信号的信噪比范围分别是-14.9-21.2 dB、0.3-30.9 dB、1.6-11.7 dB。

痕量爆炸物探测：拉曼光学器件在爆炸物检测方面灵敏度惊人，在亿分之一空气浓度下，二硝基甲苯和三硝基甲苯的检测灵敏度分别达到95%和80%以上。

【数据概览】

图1 STGI-SRS原理示意图和所选择的有机半导体增益特性

图2 联级STGI-SRS光谱图

图3 联级STGI-SRS强度特征

图4拉曼激射的光谱调谐特性

图5 有机拉曼光学器件在爆炸物检测中的应用

【科学启迪】

这一突破性发现颠覆了非线性光学中“高能量换取高增益”的传统理论认知，得到国际评审专家的高度认可，指出该研究“开辟了新的视角来完美解决拉曼增益不足这一世界性难题，有望重塑拉曼激射研究方向，并广泛拓展于不同材料体系中”。作者提出了拉曼激射新方法，显著放大分子振动，成功在有机半导体材料中实现高效的多阶拉曼激射。研究成果拓宽了有机半导体应用场景，开辟了有机半导体拉曼激光新方向，为有机半导体在拉曼激光等非线性光学领域的应用奠定了重要理论基础。这一技术有望在可见光通讯、便携式爆炸物实时检测、可穿戴无创健康监测等领域得到应用。

原文详情：Jiang, et al Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors, Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9.