用纳米小颗粒实现超强激光输出

胶体量子点（QDs）不仅已在彩色转换显示器中商业化应用，还因其优异的光学特性（如大吸收截面、近 unity 的光致发光量子产率以及灵活的腔集成能力），展现出作为低成本、溶液可加工激光增益介质的变革潜力。其光学增益可在整个可见光谱范围内实现宽带调谐，尤其能覆盖传统激光技术稀缺的光谱区域，例如对医疗诊断、钠导星天文学和下一代显示技术至关重要的黄色光谱范围（576-597 nm）。然而，‘黄色间隙’难题长期存在：依赖非线性倍频或有机染料激光器的传统方案，因固有的复杂性、热力学不稳定性和效率不足而受限，而 QD 激光器有望成为解决这些长期技术局限的关键平台。

激光设备的输出功率是决定其应用前景的关键因素，高峰值功率对激光手术、材料加工和精密制造等多个领域至关重要。自首次证实胶体 QDs 的光学增益以来，电泵浦和光泵浦 QD 激光器虽取得进展，但输出功率通常局限于毫瓦级，仅有少数达到瓦级峰值功率，这是其实际应用的主要障碍，根源在于 QD 增益介质固有的高泵浦阈值、适中的增益系数和非优化的泵浦配置，导致光子转换效率低且在强光激发下易降解。

本研究通过设计种子-放大器激光结构，将具有优异增益性能的 QDs 集成其中，首次实现了兆瓦级峰值功率的 QD 激光器。具体而言，研究团队开发了一种定制化三元 QDs 作为增益介质，其具有窄发射线宽（16.5 nm）和大双激子结合能（50.5 meV）。瞬态光谱和理论模拟证实，这些 QDs 具有亚单激子阈值和创纪录的高饱和增益截面，使得在高泵浦强度下输出光能够持续增强。

为实现激光发射，研究设计了 Littman-Metcalf 腔，可产生线宽仅 0.17 nm 的连续可调谐激光；随后通过同步放大，实现了兆瓦级输出，提取效率接近 40%。该高功率 QD 激光不仅能覆盖黄色光谱范围，有望解决‘黄色间隙’难题，还具有高空间相干性、线偏振性和良好的运行耐久性。作为概念验证，研究已证实该 QD 激光可有效作为光谱研究的泵浦源。

这项工作为基于胶体 QDs 的实用化激光器件开辟了道路，有望推动其在医疗诊断、激光显示和激光制造等领域的应用。未来，通过设计 QD 薄膜作为增益介质并实现连续波泵浦，有望进一步发展固态 QD 激光器件。