微納結(jié)構(gòu)激光器作為一種小型化的強(qiáng)光源，在全光學(xué)芯片，高像素全彩顯示器和便攜式光通信設(shè)備中具有重要意義和廣泛應(yīng)用。自上個(gè)世紀(jì)九十年代首次合成膠體量子點(diǎn)以來(lái)，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)、非凡的光學(xué)特性以及低制備成本而受到廣泛關(guān)注。三十多年來(lái)，開發(fā)基于膠體量子點(diǎn)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(biāo)。然而，相關(guān)研究卻由于多重挑戰(zhàn)并存而遲滯不前。包括對(duì)激光器優(yōu)異激光性能的基本追求，更進(jìn)一步滿足連續(xù)工作穩(wěn)定性和高溫環(huán)境實(shí)用性等實(shí)際應(yīng)用條件的能力以及對(duì)最終面向低成本大規(guī)模生產(chǎn)的商業(yè)潛力適配性。近年來(lái)，盡管研究人員投入了大量精力并取得了一定進(jìn)展，但是當(dāng)前的量子點(diǎn)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(zhì)因子、窄線寬和低閾值等優(yōu)異激光性能。即便如此，目前的量子點(diǎn)激光器仍面臨著增益介質(zhì)堆積密度較低、量子點(diǎn)與光學(xué)腔耦合效率低下以及微型化復(fù)雜系統(tǒng)的熱穩(wěn)定性差等諸多核心問(wèn)題迫切需要解決。

 

研究團(tuán)隊(duì)首次創(chuàng)新的提出基于膠體量子點(diǎn)自組裝與溶膠-凝膠固化相結(jié)合的技術(shù)方案，制備了嵌入二氧化硅基質(zhì)的量子點(diǎn)自組裝光學(xué)微球腔，以此打破當(dāng)前量子點(diǎn)激光器的研究瓶頸。首先，研究人員在這種高增益介質(zhì)堆積密度、量子點(diǎn)與光學(xué)腔高效耦合的微球結(jié)構(gòu)中獲得了高品質(zhì)因子、窄線寬和低閾值的優(yōu)異單模激光性能。進(jìn)一步的，基于二氧化硅基質(zhì)的優(yōu)異穩(wěn)定性，研究人員首次將膠體量子點(diǎn)激光器的工作溫度提升到450 K，獲得了長(zhǎng)效穩(wěn)定輸出的高溫量子點(diǎn)單模激光器，這也是目前所報(bào)道的最高工作溫度。通過(guò)調(diào)節(jié)膠體量子點(diǎn)的組分和尺寸，高溫單模激光甚至可以擴(kuò)展到整個(gè)可見光譜范圍。此外，如何解決散熱問(wèn)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(xiàng)研究為實(shí)現(xiàn)小型化光電子元器件的高溫穩(wěn)定運(yùn)行提供了直接解決方案。更重要的是，這種創(chuàng)新的溶液可加工技術(shù)方案相比于傳統(tǒng)的設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、制備周期長(zhǎng)的外加光學(xué)腔加工方法，其在室溫液相條件下即可進(jìn)行，方法簡(jiǎn)單、易于操控并且可大規(guī)模批量化生產(chǎn)，所開發(fā)的微型激光器可高密度集成在微型基板中，有望構(gòu)建經(jīng)濟(jì)型超亮片上光源。綜上，該研究工作獨(dú)辟蹊徑，突破了當(dāng)前量子點(diǎn)激光器工作的研究瓶頸，實(shí)質(zhì)性的推動(dòng)了量子點(diǎn)微納激光器從基礎(chǔ)性能研究向?qū)嵱没⑸虡I(yè)化的發(fā)展，為新型微納結(jié)構(gòu)激光器、高溫微型器件和小型化光學(xué)傳感器、低成本光通信設(shè)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(diǎn)激光器研究所面臨的三大核心問(wèn)題以及相應(yīng)解決方案
 

圖2 可集成的高溫寬帶可調(diào)諧膠體量子點(diǎn)單模激光器