Прорыв! Разработан сверхстабильный и высокоэффективный жидкостный квантово-точечный лазер 

Недавно команда исследователя У Кайфэна из Даляньского института химической физики Китайской академии наук создала жидкостный квантово-точечный лазер, используя коллоидные квантовые точки в качестве активной среды. За счет сочетания резонатора Фабри–Перро и схемы двойного импульсного накачивания удалось добиться непрерывной стабильной работы более 10 дней с эффективностью преобразования энергии более 17%. Результаты опубликованы в журналах Science Advances и ACS Nano.

Тепловое управление лазером является ключевым фактором, определяющим его максимальную выходную мощность. В отличие от твердотельных лазеров, жидкостные лазеры обеспечивают циркуляционное охлаждение, что повышает эффективность усиления мощности. Квантовые точки — это синтезированные в растворе нанокристаллы, излучение которых можно непрерывно настраивать путем изменения состава элементов и размера, что делает их идеальной средой для жидкостного лазера. Однако за последние 20 лет исследования квантовых точек в основном концентрировались на твердых пленках, и оставалась проблема короткой длительности усиления из-за многократных нерадиационных процессов Охе (Auger) при высокой плотности возбуждения. Кроме того, существующие работы ограничивались измерениями спектрального сжатия и интенсивности при низкой мощности возбуждения, слабо раскрывая реальную эффективность и возможности практического применения.

В данной работе команда использовала перовскитовые квантовые точки на основе свинцовых галогенидов (CsPbBr₃ и CsPbI₃). Поскольку перовскитовые материалы обладают недостаточной тепловой стабильностью и их твердые устройства быстро деградируют, команда разработала жидкостный лазер на основе перовскитовых квантовых точек. С помощью сопряжения раствора квантовых точек с резонатором Фабри–Перро и накачки наносекундными квазинепрерывными импульсами удалось стабильно генерировать лазерное излучение с длиной волны 537 нм и 690 нм. Регулировкой состава галогенидов в принципе возможно непрерывное изменение диапазона лазера от 400 до 700 нм.

Более того, за счет циркуляционного охлаждения лазер сохранял стабильные характеристики после 10 дней непрерывной работы, что подтверждает перспективность жидкостных лазеров для применения перовскитовых квантовых точек.

Для повышения долговечности усиления команда применила градуированное по составу оболочечное проектирование CdSe/ZnSe/ZnS квантовых точек, что эффективно подавляет эффект многократного Охе и увеличивает срок жизни усиления. Использование двойной импульсной накачки позволило избежать потерь усиления из-за Охе и достичь 17,2% эффективности преобразования энергии.

Разработанный метод синтеза позволяет получать более 10 литров раствора квантовых точек за один раз, а эти квантовые точки демонстрируют отличные лазерные свойства даже в водной среде. Результаты показывают, что жидкостные квантово-точечные лазеры способны заменить менее стабильные традиционные органические красочные лазеры.