南科大领衔开发新型胶体量子点激光阵列，室温下连续工作1000小时

摘要：近日，南方科技大学王恺教授和合作者将具有合金化渐变核壳结构的胶体量子点材料与具有强光场束缚能力的环形布拉格微腔（CBR，circular Bragg resonator）结合，让胶体量子点激光器的激发阈值低至 17μJ/cm2，并让其能够在室温下连续工作 10

近日，南方科技大学王恺教授和合作者将具有合金化渐变核壳结构的胶体量子点材料与具有强光场束缚能力的环形布拉格微腔（CBR，circular Bragg resonator）结合，让胶体量子点激光器的激发阈值低至 17μJ/cm2，并让其能够在室温下连续工作 1000 小时，对应 3.6 亿次稳定脉冲激射，同时实现了 2100 点每英寸的更高集成密度，借此让胶体量子点激光器变得更易驱动、更耐用，为进一步实现二极管泵浦乃至电泵浦胶体量子点激射打下良好基础。

图｜艺术重绘：胶体量子点环形布拉格微腔激光器阵列（来源：Light: Science & Applications）

要让胶体量子点激光器既高效、又稳定且易于集成，关键在于“光场调控三要素”：

首先，要实现光场与胶体量子点增益介质的有效耦合，关于此要素以光学限制因子 Γ 来评估，以便确保光场与胶体量子点充分“握手”，从而避免能量浪费。

其次，要使用尽可能强的光场束缚，关于此要素以模式体积 V 来评估，通过把光压缩到亚微米级空间，从而让能量密度实现飙升。

再次，要实现与胶体量子点增益谱匹配的强 Purcell 效应，关于此要素以 Purcell 因子 FP 来计算，即利用强光场环境来提升胶体量子点的发光效率，进而实现降低激光阈值的目的。

然而，传统胶体量子点垂直腔面发射激光器（VCSEL，vertical-cavity surface-emitting laser）的光场调控就像一款“单层夹心饼干”，只能在上下（Z 轴）方向压缩光场，这就导致光学限制因子较低，同时压缩度也比较低。

为此，他们开发了这种胶体量子点环形布拉格微腔激光器，借助在 XY 平面上的环形布拉格光栅结构，实现了光场束缚由垂直腔面发射激光器的一维到二维的升维。

在该器件中，胶体量子点不仅扮演着增益介质的角色，还与相对低折射率的氧化硅一起，构建出完整的环形布拉格微腔谐振腔。

基于数值仿真结果表明：得益于其高效的光场束缚，胶体量子点环形布拉格微腔激光腔内的模式体积 V 相对胶体量子点垂直腔面发射激光器下降了一个量级，与此同时光学限制因子 Γ 和 Purcell 因子 FP 也得到了显著提升。

图｜胶体量子点垂直腔面发射激光器和胶体量子点环形布拉格微腔激光器微腔内光场分布、Purcell 效应和光学限制因子的对比（来源：Light: Science & Applications）

得益于环形布拉格微腔微腔内光学限制因子 Γ 和 Purcell 因子 FP 的大幅提升，基于环形布拉格微腔的胶体量子点激光器阵列在三个方面上实现了性能提升：

其一，激射阈值从 56μJ/cm² 降至 17μJ/cm²，在已报道的胶体量子点激光中处于最低阈值之列。其能以相对低成本的 0.3ns 准纳秒实现激光驱动，从而能够增强实用性。

其二，由强光场束缚带来的小模式体积 V 使得胶体量子点环形布拉格微腔激光器的高密度阵列化集成成为可能，其集成密度可达 2100 点每英寸，是当前胶体量子点面发射激光器阵列的最高水平。

其三，协同高质量的胶体量子点材料与环形布拉格微腔，胶体量子点环形布拉格微腔激光器展现出良好的工作稳定性，其室温连续工作寿命长达 1000 小时，对应 3.6 亿次的稳定脉冲激射，两者均为已报道的溶液处理的纳米晶激光器中的最佳值。

图｜（a）胶体量子点垂直腔面发射激光器和胶体量子点环形布拉格微腔激光器的激射稳定性对比；（b）已报道的基于溶液处理的纳米晶（胶体量子点和胶体量子阱）激光器的激射稳定性统计，横轴为最大连续工作时间，纵轴为脉冲激射次数（来源：Light: Science & Applications）

尽管目前以胶体量子点激光器为代表的非外延激光器尚未实现大规模商业化，但是随着技术的逐步发展与成熟，其在连续波长可调、易于异质集成、低成本等方面具有的其独特优势，或将催生新型光电器件及其新的应用场景。

例如，预计有望通过硅基异质集成技术实现基于胶体量子点激光器的片上激光器（On-Chip Laser），为硅光芯片提供波长调谐范围大、集成度高、成本较低的新型片上激光器，推动硅光芯片在数据中心光互连、量子信息、生物医疗、健康监测、智能传感等领域的应用。

图｜王恺（来源：王恺）

从“光之引擎”激光技术说起

王恺表示，激光技术如同现代科技的“光之引擎”，驱动着通信、医疗到消费电子等领域的飞速发展。然而，经典的半导体激光器依赖复杂的外延生长工艺，制造门槛和成本相对较高，并难以灵活调节发光波长。

近年来，一类无需复杂工艺的非外延式半导体激光器异军突起，在连续波长可调、易于异质集成、低成本等方面具有其独特的优势，成为国际上激光研究的前沿之一。

在这一领域中，胶体量子点（CQD，Colloidal Quantum Dot）备受瞩目。这种纳米级的“发光颗粒”不仅波长精准可调，还可以通过喷墨打印、光刻等工艺实现器件制备，为非外延式半导体激光器的发展注入新的动力。

在众多激光器类型中，面发射激光器凭借其独特的优势，例如光束较集中、能量效率高，以及易于构建二维阵列等特点，其应用价值已得到充分验证，应用场景亦在持续扩展。若能结合胶体量子点与面发射激光器的优势，便可获取低成本、易集成、且具备宽波段覆盖能力的高性能激光光源。

光泵浦胶体量子点激光器是实现未来电泵浦器件的关键技术基础。近年来，国际学术界对胶体量子点激光器的研究投入持续增加，相关技术发展迅速。然而，现有技术的发展道路上横亘着三大难关，制约了其进一步的实际应用：

第一个难关是：阈值高、驱动难。现有研究多依赖飞秒激光器驱动，不仅价格昂贵而且体积较大，为提升光泵浦胶体量子点激光器的应用价值和普及潜力，亟需在显著降低其激射阈值的同时，提升其对于更经济、更实用的皮秒和纳秒乃至准连续泵浦光源的兼容性。

第二个难关是：寿命短、老化快。较高的激射阈值对胶体量子点材料在强激光泵浦下的稳定性提出了严峻挑战。目前，尚未出现关于胶体量子点激光器连续稳定运行时间超过 10 小时的公开报道，长期工作稳定性成为制约其实用化的关键因素之一。

第三个难关是：器件大、集成难。传统垂直腔面发射激光器有限的光场束缚以及由此产生的较大模式体积，限制了器件的小型化和高密度集成。领域内已经报道的胶体量子点面发射激光器阵列的集成密度通常仅为 100 至 300 点每英寸，难以满足高集成度应用的需求。

光场束缚增强，为低阈值激射提供有力支持

在研究胶体量子点垂直腔面发射激光器的过程中，课题组意识到垂直腔面发射激光器是一个典型的一维光子晶体结构，其光场束缚能力有限。如果采用二维光子晶体，则从一维至二维，光场束缚的维度随之提升，这将有助于实现更高的光学限制因子 Γ 和更低的激发阈值。

在对各类二维光子晶体进行分析，以及兼顾考虑光场束缚能力、胶体量子点集成工艺可行性等多个因素之后，研究团队提出了胶体量子点环形布拉格微腔激光的概念。

有了初步构思之后，他们迅速投入到理论建模和数值仿真中。他们利用仿真工具，针对激光器的腔体结构、光场分布、模式体积等关键参数进行反复计算与优化。

模拟结果显示：其所设计的胶体量子点环形布拉格微腔激光器光学限制因子 Γ 高达 89%，远超传统垂直腔面发射激光器的 39%，而且模式体积 V 大幅缩小，这极大地提升了 Purcell 因子，为实现低阈值激光提供了有力支持。

而在实验尝试中，他们在搭建光学测试平台时遇到了一系列问题：实验室内的光学环境噪声较大、测量仪器的灵敏度和分辨率都不尽如人意、甚至泵浦光源的稳定性也时常影响测试数据。

为了确保数据准确，他们反复调整光路以及升级部分检测设备，并针对每一个细节进行不断调试，力求打造一个精准、稳定的光学测试平台。

在设计和制备胶体量子点环形布拉格微腔激光器的过程中，尽管他们在前期设计中已经考虑到了诸多可能的实验偏差，但在实际操作时仍然遇见一些意外情况。

环形布拉格微腔的结构参数比如周期、内径等在加工过程中出现了微小偏差，导致预期中的光场束缚效果未能完全实现。面对这些问题，王恺和团队迅速开展调整，最终使得器件性能逐渐接近设计目标。

最终，相关论文以《低阈值的面发射胶体量子点环形布拉格激光器阵列》（Low-threshold surface-emitting colloidal quantum-dot circular Bragg laser array）为题发在 Light: Science & Applications[1]。