蓝激光在激光显示、打印、制造、数据记录和医疗技术中发挥着关键作用。胶体量子点（QDs）是溶液生长的材料，具有强烈、可调的发射，覆盖整个可见光谱，但目前技术上可行的蓝色QD激光器仍未实现，大多依赖于含镉的红色发光QDs。针对此问题，中科院大连化物所吴凯丰研究员提出一种ZnSe–ZnS核壳量子点溶液来实现自发辐射增强（ASE）和激光发射，展现出约1.2ns的双激子寿命和0.8ns的双激子增益寿命，这与直径为10-20 nm、发射红光的先进CdSe基复杂核壳系统相当。其紧凑的尺寸和长增益寿命使得这些蓝色量子点可以像激光染料一样使用。通过飞秒和纳秒脉冲激发可观察到强烈的蓝色ASE，能够输出可调的窄线宽（<0.2 nm）。该工作以“Blue lasers using low-toxicity colloidal quantum dots”发表在《Nature Nanotechnology》上。
ZnSe–ZnS核壳量子点（QDs）采用改进的合成方法制备，具有锌闪石晶体结构，核壳平均直径分别约为3.50 nm和7.82 nm。对于典型的I型核壳量子点，光学增益主要由核心区域贡献，因此，使用相对薄壳样品可以实现较大的增益系数。然而，紧凑型量子点的激光发射通常受快速非辐射Auger复合的影响。该工作采用高温壳层涂覆条件加速阴离子扩散，并形成界面合金ZnSe1−xSx以平滑原本陡峭的限制势阱并抑制Auger复合。最终，ZnSe–ZnS核壳量子点的组成实际为ZnSe–ZnSe1−xSx–ZnS。ZnSe–ZnS量子点的吸收和光致发光（PL）光谱显示，涂层处理后，首个激子吸收峰从397 nm红移至412 nm。PL带边峰约为420 nm，窄全宽半高（FWHM）约14 nm，量子产率约为50%。时间分辨PL测量显示双指数衰减，时间常数分别为6.3 ns（63%）和21 ns（37%）。图2表明在低泵浦能量11.7 μJ cm−2下，以412 nm的激子消光为主，归因于带边1Shh/lh–1Se跃迁的状态填充。在高泵浦能量2744 μJ cm−2下，光谱显示多个早期消光特征，指示激子状态的序列填充。经过多激子衰减后，TA光谱最终回归至低激子数下的光谱。图2c显示了在412 nm带边激子消光处不同激子数下的TA动力学。随着激子数的增加，快速衰减成分的幅度也增大。通过从高激子数的TA动力学减去低激子数的TA，得到双激子寿命为1.2 ns。随着激子数增加，非线性吸收光谱A′在长波长区域最终变为负值，实现光学增益。增益阈值出现在平均激子数约为1处，表明增益由双激子增益主导。在较大激子数下，光学增益覆盖了390-440 nm。通过与量子点的稳态吸收交叉截面比较，当激子数为12.8时，422 nm和404 nm处的增益截面（σg）比早期CdSe量子点大五倍。图2：ZnSe–ZnS量子点的飞秒瞬态吸收和光学增益使用条形激光束激发该溶液，在低泵浦能量下观察到宽自发辐射，当泵浦能量超过特定值时，转变为自发辐射增强（ASE）状态，阈值约为1.7，与双激子增益机制一致。此外，404 nm处出现高能ASE峰，与高能增益特征相关。量子点的长增益寿命（τg = 812 ps）表明无需飞秒激发脉冲，在纳秒激发下，量子点溶液的发射同样显示出从宽自发辐射转变为423 nm处的尖锐ASE。发射强度与泵浦能量的关系显示出约3 mJ cm−2的ASE阈值，模态增益系数为53 cm−1，远大于液体的光学散射损失。在飞秒和纳秒激发情况下，量子点溶液的ASE均表现出强方向性。图3：飞秒和纳秒激发的ZnSe–ZnS量子点溶液自发辐射增强（ASE）为实现激光振荡，需要使用腔体提供多次增益所需的反馈，从而产生更窄且可调的光谱输出。为此，设计了一个Littrow配置的腔体，包括高反射率银镜和光栅。通过调节光栅角度，蓝激光可调范围为417 nm-424 nm，线宽仅为0.2 nm，相比之下，自发发光和ASE的线宽更宽。在光束轮廓和方向性测量中，激光束表现出对称的高斯型强度轮廓，光束半径在不同距离下呈现扩展。激光的传播因子因多模特性而高于单模激光。使用迈克耳孙干涉仪评估量子点激光的时间相干性，其具有高时间相干性。此外，ZnSe–ZnS量子点工作稳定性高，激光强度在6小时内几乎没有衰减，并表现出“光增亮”效应。图4：纳秒激发下，Littrow腔的可调液体激光发射该工作使用具有尺寸紧凑和增强抑制特性的ZnSe–ZnS核壳量子点溶液实现了蓝色自发辐射增强（ASE）和激光发射。其显著的激光稳定性使ZnSe–ZnS量子点溶液成为液态光学增益介质及其他传统激光染料或CdSe量子点无法应用的技术中的一种有前景的解决方案。此外，使用ZnSexS1−x核，有望将液态量子点激光的波长扩展到紫外区域。全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01812-0
