杏彩体育:上光所成功实现最高温度下稳定工作的CQD微型激光器高达450K！

　　高性能微/纳米结构激光器作为多功能光源组件，对光电设备非常重要。为了实现这一目标，来自中科院上海光机所的科学家发明了一种高效、超稳定的低成本CQD微型激光器，该激光器甚至可以在450 K（目前CQD微型激光器的最高工作温度）下运行。

　　胶状量子点CQD (colloidal quantum dot) 由于其独特的结构、非凡的光学性能以及低成本的制备工艺而备受关注。电子状态的良好分离δ函数样密度及其强大的光学振荡器强度保证了CQD具有较低的阈值和对温度不敏感的光学增益，这使其成为激光增益材料的极佳候选材料。在过去的几十年中，已经投入了大量的精力来研究和开发CQD激光器，并且已经取得了重大进展。通常，可以通过将固化的单分散CQD层插入刻蚀结构中来获得CQD激光，这些刻蚀结构包括分布式反馈光栅和光子晶体。另一种最直接的典型方法是在微腔上涂覆高浓度的CQD溶液或形成CQD膜来获得激光。实际上，CQD微型激光器的研究仍处于起步阶段，重点在于如何获得高激光性能，例如高品质因数、窄线宽和低阈值。即使这样，当前的CQD激光器仍然面临许多困难。核心问题是增益填充密度相对较低以及CQD与光腔的耦合效率低下，这极大地挑战了基本激光性能的提高。此外，随着下一代光电子器件小型化和集成化的发展趋势，在高度集成的微型设备中，传统的水冷方法无法有效地解决散热问题，这就要求小型化的光学元件在高温条件下稳定工作。然而，公认较差的稳定性，尤其是高温下的PL猝灭效果，是限制CQD进一步用于实际应用的另一个关键问题。

　　为了解决这些问题，来自上海光机所的研究人员开发了一种新颖的组装技术，并结合了溶胶-凝胶法来制造在二氧化硅基质中固化的CdSe/ZnS CQD组装微球 (CQD-assembled microspheres, CQDAM) ，这不仅保证了CQDAM在高温下稳定运行，而且解决了增益封装密度和耦合效率的问题。

　　图1. 嵌入二氧化硅基质中的CQDAM的合成示意图。选择两种硅烷化试剂原硅酸四乙酯（TEOS）和3-巯基丙基三甲氧基硅烷（3-MPS）作为二氧化硅前体以形成二氧化硅网络。分散的CQD自组装为CQDAM，然后通过溶胶-凝胶法在二氧化硅基质中固化。

　　研究人员首先实现了基于固化CQDAM的单模激光，其工作温度高达450 K，这是迄今为止CQD微型激光器的最高工作温度。即使它们在这样的高温环境下连续工作，也可以将激光脉冲的稳定输出维持40分钟。通过更改CQD的成分和/或大小，可以将单模激光扩展到整个可见光谱范围。而且，该可溶液处理的方法具有成本低廉和可大量生产的优点。它不需要复杂的光腔处理，这意味着不需要昂贵的设备或极其复杂的处理。同时，这些CQDAMs激光器可以高度集成到微衬底中，并且还可以应用于其他种类的半导体纳米颗粒，从而促进了在高温低成本微集成光电器件中的可预测的商业应用价值。

　　图1a展示了CQD激光器研究的三个核心问题以及我们实现超稳定高温CQD激光器的解决方案。一般来说，实现CQD激光器的方法需要外腔结构，这可以大致分为两类。首先是将固化的单分散CQD层插入蚀刻结构，包括分布式反馈光栅和光子晶体。这种类型的CQD激光器通常具有极其复杂的加工技术、昂贵的制造成本和相对较低的增益密度。第二类包括在微腔上涂覆高浓度CQD溶液或形成CQD薄膜以获得激光。然而，这些通常遭受CQD和微腔之间的低效耦合，导致低品质因数和高阈值。与传统方法不同，使用创新的自组装和溶胶-凝胶方法获得了高质量的固化CQDAMs。

　　a. CQD激光器研究的三个核心问题的示意图以及我们为实现高温CQD激光器而开展的工作的相应解决方案。将分散的CQD自组装成紧密堆积的CQD簇以实现高堆积密度，然后到CQD组装微球实现高耦合效率，最后到凝固的微球实现稳定和集成的高T激光。CQD组件微球既可以用作增益腔，也可以用作微腔。由于谐振器边界处的全内反射，光在WGM微腔内部传播，以实现高耦合效率。CQDAM通过溶胶-凝胶法在二氧化硅基质中固化，以确保在高温下稳定工作。b-e不同CQD结构的TEM图像，对应于（a）中的模型。f. 在相同的激发条件下，不同CQD结构随温度从77到475 K的变化随温度变化的发射的等高线图。g–i随着温度的升高，三种不同的CQD结构的发射峰红移（g），半峰光谱全宽（FWHM）（h）和PL强度（i）的演变

　　从增益介质的角度来看，自组装的CQDs几乎达到了封装密度的上限，从而确保了足够的光学增益。从光-质耦合的角度来看，这种CQDAM样品既用作增益材料，又用作光学微腔。从光腔性能的角度来看，球形WGM微腔可以有效提高腔光子的约束能力，对于体积约为1μm-³的CQDAM样品，可以实现只有一个谐振模式在发射波长范围内起作用。但是，工作模式的Q因子可能是104。最重要的是，研究人员将不同方面的这三个优点结合在一起，形成了CQDAM样品。

　　a. 大规模生产的集成CQD微激光器在高温下工作的示意图。b. 由紫外线激发的不同基于CQD的二氧化硅基质样品的实色图像。c. 在高激励条件下相应的内部放大显微图像。红点是400 K处的激光CQDAM。d. 来自不同成分和/或大小的CQDAM的多色单模激光器，其激光能量覆盖整个可见范围

　　除了上述激光参数，高温下的激光稳定性也是与商业化潜力相关的重要方面。散热问题是下一代微芯片集成激光设备的固有和不可避免的困难。在这项研究中， CQD微型激光器的最高温度可达450K，即使在如此高的温度下，CQD微型激光器也可以高密度集成，并且具有出色的工作能力，商业角度来看，我们独特但通用的CQD微激光器制造方法非常有吸引力和前景，它可以大大降低制造成本和简化制造过程，从而有利于大规模工业生产。换句话说，这种高效的溶液制备过程不需要复杂的加工技术和昂贵的加工设备，其成本主要是价格低廉的材料。这种经济高效的制造能力以及高质量和灵活的集成能力为从实验室到工业化的CQD微型激光技术的发展铺平了道路，并有望带来巨大的潜力。

　　此外，自从首次证明CQD激发发射以来，对电泵浦CQD激光的追求就成为了广泛的研究课题。有趣的是，上光所研发的CQDAM既可以用作增益介质又可以用作光腔，这很容易集成到电致发光体系中作为发射层来实现电泵浦的纳米激光器。实际上，电致微型激光器的实现是一个巨大的挑战，还需要解决更复杂的问题，这也是未来需要研究的重要组成部分。