近日，西班牙巴塞罗那科学与技术研究所的研究团队发表了一项创新研究，宣布他们成功研发出一种基于胶体量子点（CQDs）的短波红外激光器。这种激光器不仅实现了从1600纳米到2500纳米的光谱覆盖，还能够在纳秒激发条件下达到增益。这一研究以“Extended Short-Wave Infrared Colloidal Quantum Dot Lasers with Nanosecond Excitation”为题，发表在《Advanced Materials》上。
研究团队通过使用基于硫化铅（PbS）的胶体量子点，突破了当前光谱范围的局限，填补了2微米以上的短波红外激光领域的空白。与传统依赖稀土掺杂玻璃或复杂III-V族半导体材料的激光技术相比，新型CQD激光器在可扩展性、成本和器件小型化方面具有明显优势。
技术创新：低阈值与宽光谱覆盖
研究表明，由于较大尺寸量子点的吸收截面显著提高，光学增益阈值减少了36倍，最低达到42 µJ/cm²。此外，这是首次在纳秒激发条件下实现PbS量子点的增益和激光行为。这一突破性进展，为未来开发紧凑型、实用的红外激光器提供了新思路，甚至有望实现电驱动激光二极管。
传统的III-V族半导体激光器受限于晶格匹配问题，导致其难以实现长波长激光输出。而稀土掺杂材料尽管覆盖了部分光谱范围，却难以实现大规模生产。而新型CQD激光器通过量子点尺寸的调控，实现了1600纳米至2500纳米光谱范围内的增益，完全依赖量子限域效应，无需改变材料化学成分。
纳秒激光器的重大突破
研究团队进一步设计了基于分布反馈（DFB）结构的激光器，通过在预结构化的蓝宝石基板上旋涂CQD薄膜，实现了高效、稳定的激光输出。在实验中，不同尺寸的量子点对应的激光波长被精确调谐，并通过调整表面光栅周期实现了从2.15 µm到2.45 µm的连续调谐。
为了更直观地展示CQD激光器的性能，团队进行了纳秒激光输出的动态建模，结果表明，较大的PbS量子点能够有效抑制非辐射复合损失，并显著降低增益阈值。这种基于三体速率方程的建模方法，为进一步优化长脉冲泵浦和连续波工作条件提供了理论依据。
未来展望：广泛应用场景
这种新型CQD激光器在激光雷达（LiDAR）、生物医学成像、环境监测等领域展现出巨大潜力。例如，其优异的光谱特性使其在检测大气污染气体如甲烷和二氧化碳时具有独特优势；其波长可调性和低成本制造能力，更使其成为下一代光电集成技术的重要候选材料。
研究团队表示，这一突破不仅推动了短波红外激光技术的发展，也为低成本、高效的光子技术应用开辟了新路径。未来，他们计划进一步优化CQD激光器的性能，探索电驱动的可能性，并将其推广至更广泛的工业和科学应用。
这项研究不仅是光电子领域的一次技术飞跃，更是科学与应用结合的典范，为量子点材料在高性能光电子器件中的广泛应用提供了新的视角。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202410207
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