Nano Lett.：基于膠體量子點的穩定回音壁模式微泡激光
【引言】
微激光在從傳感到光子集成電路的廣闊領域都有極大的應用潛力。人們總是致力于探索高性能、低成本的微激光，因為這會為光子和光電子中的應用提供新的可能。自從首次觀察到受激輻射以來，膠體量子點（CQDs）由于其發光顏色的可調節性、潛在的較低非溫敏性增益閾值和成本效益高的液相處理能力而成為了最具潛力的光學增益媒介。然而，截止目前，開發基于CQD的低成本、高性能微激光器件仍然極具挑戰。此外，CQDs在氧氣或濕氣中是十分脆弱的，而且由于不穩定有機配體的存在，其會在暴露空氣的過程中逐漸衰減。將有機聚合物作為保護網絡，把CQDs封裝在有機聚合物中就可以起到保護CQDs的目的。近年來，回音壁模式（WGM）微激光由于較小的模體積和較高的質量因數（Q-factor）吸引了研究者們極大的關注。將基于CQDs的WGM微激光應用于諸如球形或環形的合適襯底上可以促進WGM共振的產生。但是尋找合適的襯底和調控激光模式仍然是一大難題。
【成果簡介】
最近，來自南洋理工大學的孫漢東教授（通訊作者）等人報道了一種基于膠體量子點的穩定回音壁模式微泡激光，相關的研究成果以“Robust Whispering-Gallery-Mode Microbubble Lasers from Colloidal Quantum Dots”為題發表在2017年3月13日的Nano Letters上。
實驗中，作者發展了一種獨特且普適的方法用來得到基于CQD/PMMA納米復合物回音壁模式（WGM）微泡激光。通過記錄納米復合物液滴的干燥過程揭示了微泡的形成機理。有趣的是，這些微泡可以直接充當高質量的WGM激光諧振腔。通過對CQDs進行改變，可以在全部可見光譜段對發射激光進行調節。更為重要的是，這些微泡激光表現出了極好的長期穩定性（超過一年），具有足夠的實際應用性。此外，微泡激光還被用于對于水蒸氣的探測中。實驗結果表明在基于優異CQDs的微激光器研究領域取得了巨大進步，這也為光子和光電子器件領域的應用提供了新的可能。
【圖文導讀】
圖1 CdZnS/ZnS CQD/PMMA (41 wt %)納米復合物液滴的干燥過程及微泡形成機理
（a）CdZnS/ZnS CQD/PMMA (41 wt %)納米復合物液滴干燥過程的照片
（b）CQD/PMMA納米復合物液滴在干燥過程中形成微泡的示意圖
（c）在CQD/PMMA納米復合物薄膜內形成的微泡的結構示意圖
圖2 微泡的相關性能表征
（a）單一微泡基于μ-PL譜的泵功率，此微泡直徑約為34μm
（b）超過尖銳峰頻譜范圍的整合PL強度與泵脈沖能量間的關系
（c）單個微泡激光基于動力學的泵功率
圖3 激光模式、激光譜、自由光譜區圖、電場分布、受激輻射閾值及激光閾值
（a）基于WGM模型的激光模式分布
（b）單個微泡激光的激光譜。從下到上直徑依次約為34、47、61、78μm
（c）自由光譜區與1/D的關系圖
（d）微泡激光中的電場分布
（e） 純CdZnS/ZnS CQD薄膜隨儲存時間的受激輻射閾值變化和CdZnS/ZnS CQD/PMMA微泡激光隨儲存時間的激光閾值變化
圖4 CdSe/CdS CQD和CdSeS/ZnS CQD分別摻雜的單個微泡基于μ-PL譜的泵功率
（a）發射紅光的CdSe/CdS CQD摻雜單個微泡基于μ-PL譜的泵功率
（b）發射綠光的CdSeS/ZnS CQD摻雜單個微泡基于μ-PL譜的泵功率
圖5 基于單個微泡激光的水蒸氣傳感測試
（a）負載水蒸氣后直徑約為31μm的微泡激光的激光譜變化
（b）負載水蒸氣后激光譜隨時間的變化映像（紅線代表高強度）
（c）基于微泡激光水蒸氣傳感的裝置圖（I為輸入，O為輸出）
（d）在水蒸氣輸入/輸出循環下在473.3nm處激光峰的動態變化
【小結】
本文中報道了一種實現新型CQD/PMMA基微泡WGM激光獨特且通用的方法。其中，高濃度的CQDs不僅能為激光提供足夠的光學增益，而且輔助了微泡的形成。這些微泡可以直接作為高質量WGM激光諧振腔。鑒于其制備方法簡便、容易量產、寬頻激光波長可調、獨立以及超強的穩定性的特點，新型的CQD微泡激光將會在包括濕度傳感和生物探測在內的領域得到廣泛應用。
文獻鏈接：Robust Whispering-Gallery-Mode Microbubble Lasers from Colloidal Quantum Dots（Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00447）
本文由材料人電子電工學術組大城小愛供稿，材料牛整理編輯。
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