Nano Lett.：基于胶体量子点的稳定回音壁模式微泡激光

【引言】

微激光在从传感到光子集成电路的广阔领域都有极大的应用潜力。人们总是致力于探索高性能、低成本的微激光，因为这会为光子和光电子中的应用提供新的可能。自从首次观察到受激辐射以来，胶体量子点（CQDs）由于其发光颜色的可调节性、潜在的较低非温敏性增益阈值和成本效益高的液相处理能力而成为了最具潜力的光学增益媒介。然而，截止目前，开发基于CQD的低成本、高性能微激光器件仍然极具挑战。此外，CQDs在氧气或湿气中是十分脆弱的，而且由于不稳定有机配体的存在，其会在暴露空气的过程中逐渐衰减。将有机聚合物作为保护网络，把CQDs封装在有机聚合物中就可以起到保护CQDs的目的。近年来，回音壁模式（WGM）微激光由于较小的模体积和较高的质量因数（Q-factor）吸引了研究者们极大的关注。将基于CQDs的WGM微激光应用于诸如球形或环形的合适衬底上可以促进WGM共振的产生。但是寻找合适的衬底和调控激光模式仍然是一大难题。

【成果简介】

最近，来自南洋理工大学的孙汉东教授（通讯作者）等人报道了一种基于胶体量子点的稳定回音壁模式微泡激光，相关的研究成果以“Robust Whispering-Gallery-Mode Microbubble Lasers from Colloidal Quantum Dots”为题发表在2017年3月13日的Nano Letters上。

实验中，作者发展了一种独特且普适的方法用来得到基于CQD/PMMA纳米复合物回音壁模式（WGM）微泡激光。通过记录纳米复合物液滴的干燥过程揭示了微泡的形成机理。有趣的是，这些微泡可以直接充当高质量的WGM激光谐振腔。通过对CQDs进行改变，可以在全部可见光谱段对发射激光进行调节。更为重要的是，这些微泡激光表现出了极好的长期稳定性（超过一年），具有足够的实际应用性。此外，微泡激光还被用于对于水蒸气的探测中。实验结果表明在基于优异CQDs的微激光器研究领域取得了巨大进步，这也为光子和光电子器件领域的应用提供了新的可能。

【图文导读】

图1 CdZnS/ZnS CQD/PMMA (41 wt %)纳米复合物液滴的干燥过程及微泡形成机理

（a）CdZnS/ZnS CQD/PMMA (41 wt %)纳米复合物液滴干燥过程的照片

（b）CQD/PMMA纳米复合物液滴在干燥过程中形成微泡的示意图

（c）在CQD/PMMA纳米复合物薄膜内形成的微泡的结构示意图

图2 微泡的相关性能表征

（a）单一微泡基于μ-PL谱的泵功率，此微泡直径约为34μm

（b）超过尖锐峰频谱范围的整合PL强度与泵脉冲能量间的关系

（c）单个微泡激光基于动力学的泵功率

图3 激光模式、激光谱、自由光谱区图、电场分布、受激辐射阈值及激光阈值

（a）基于WGM模型的激光模式分布

（b）单个微泡激光的激光谱。从下到上直径依次约为34、47、61、78μm

（c）自由光谱区与1/D的关系图

（d）微泡激光中的电场分布

（e） 纯CdZnS/ZnS CQD薄膜随储存时间的受激辐射阈值变化和CdZnS/ZnS CQD/PMMA微泡激光随储存时间的激光阈值变化

图4 CdSe/CdS CQD和CdSeS/ZnS CQD分别掺杂的单个微泡基于μ-PL谱的泵功率

（a）发射红光的CdSe/CdS CQD掺杂单个微泡基于μ-PL谱的泵功率

（b）发射绿光的CdSeS/ZnS CQD掺杂单个微泡基于μ-PL谱的泵功率

图5 基于单个微泡激光的水蒸气传感测试

（a）负载水蒸气后直径约为31μm的微泡激光的激光谱变化

（b）负载水蒸气后激光谱随时间的变化映像（红线代表高强度）

（c）基于微泡激光水蒸气传感的装置图（I为输入，O为输出）

（d）在水蒸气输入/输出循环下在473.3nm处激光峰的动态变化

【小结】

本文中报道了一种实现新型CQD/PMMA基微泡WGM激光独特且通用的方法。其中，高浓度的CQDs不仅能为激光提供足够的光学增益，而且辅助了微泡的形成。这些微泡可以直接作为高质量WGM激光谐振腔。鉴于其制备方法简便、容易量产、宽频激光波长可调、独立以及超强的稳定性的特点，新型的CQD微泡激光将会在包括湿度传感和生物探测在内的领域得到广泛应用。

文献链接：Robust Whispering-Gallery-Mode Microbubble Lasers from Colloidal Quantum Dots（Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00447）

本文由材料人电子电工学术组大城小爱供稿，材料牛整理编辑。

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