近日，南方科技大學王愷教授和合作者將具有合金化漸變核殼結構的膠體量子點材料與具有強光場束縛能力的環形布拉格微腔（CBR，circular Bragg resonator）結合，讓膠體量子點雷射器的激發閾值低至 17μJ/cm2，並讓其能夠在室溫下連續工作 1000 小時，對應 3.6 億次穩定脈衝激射，同時實現了 2100 點每英寸的更高整合密度，藉此讓膠體量子點雷射器變得更易驅動、更耐用，為進一步實現二極體泵浦乃至電泵浦膠體量子點激射打下良好基礎。
圖｜藝術重繪：膠體量子點環形布拉格微腔雷射器陣列（來源：Light: Science & Applications）
要讓膠體量子點雷射器既高效、又穩定且易於整合，關鍵在於“光場調控三要素”：
首先，要實現光場與膠體量子點增益介質的有效耦合，關於此要素以光學限制因子 Γ 來評估，以便確保光場與膠體量子點充分“握手”，從而避免能量浪費。
其次，要使用盡可能強的光場束縛，關於此要素以模式體積 V 來評估，透過把光壓縮到亞微米級空間，從而讓能量密度實現飆升。
再次，要實現與膠體量子點增益譜匹配的強 Purcell 效應，關於此要素以 Purcell 因子 FP 來計算，即利用強光場環境來提升膠體量子點的發光效率，進而實現降低雷射閾值的目的。
然而，傳統膠體量子點垂直腔面發射雷射器（VCSEL，vertical-cavity surface-emitting laser）的光場調控就像一款“單層夾心餅乾”，只能在上下（Z 軸）方向壓縮光場，這就導致光學限制因子較低，同時壓縮度也比較低。
為此，他們開發了這種膠體量子點環形布拉格微腔雷射器，藉助在 XY 平面上的環形布拉格光柵結構，實現了光場束縛由垂直腔面發射雷射器的一維到二維的升維。
在該器件中，膠體量子點不僅扮演著增益介質的角色，還與相對低折射率的氧化矽一起，構建出完整的環形布拉格微腔諧振腔。
基於數值模擬結果表明：得益於其高效的光場束縛，膠體量子點環形布拉格微腔雷射腔內的模式體積 V 相對膠體量子點垂直腔面發射雷射器下降了一個量級，與此同時光學限制因子 Γ 和 Purcell 因子 FP 也得到了顯著提升。
圖｜膠體量子點垂直腔面發射雷射器和膠體量子點環形布拉格微腔雷射器微腔內光場分佈、Purcell 效應和光學限制因子的對比（來源：Light: Science & Applications）
得益於環形布拉格微腔微腔內光學限制因子 Γ 和 Purcell 因子 FP 的大幅提升，基於環形布拉格微腔的膠體量子點雷射器陣列在三個方面上實現了效能提升：
其一，激射閾值從 56μJ/cm² 降至 17μJ/cm²，在已報道的膠體量子點雷射中處於最低閾值之列。其能以相對低成本的 0.3ns 準納秒實現雷射驅動，從而能夠增強實用性。
其二，由強光場束縛帶來的小模式體積 V 使得膠體量子點環形布拉格微腔雷射器的高密度陣列化整合成為可能，其整合密度可達 2100 點每英寸，是當前膠體量子點面發射雷射器陣列的最高水平。
其三，協同高質量的膠體量子點材料與環形布拉格微腔，膠體量子點環形布拉格微腔雷射器展現出良好的工作穩定性，其室溫連續工作壽命長達 1000 小時，對應 3.6 億次的穩定脈衝激射，兩者均為已報道的溶液處理的奈米晶雷射器中的最佳值。
圖｜（a）膠體量子點垂直腔面發射雷射器和膠體量子點環形布拉格微腔雷射器的激射穩定性對比；（b）已報道的基於溶液處理的奈米晶（膠體量子點和膠體量子阱）雷射器的激射穩定性統計，橫軸為最大連續工作時間，縱軸為脈衝激射次數（來源：Light: Science & Applications）
儘管目前以膠體量子點雷射器為代表的非外延雷射器尚未實現大規模商業化，但是隨著技術的逐步發展與成熟，其在連續波長可調、易於異質整合、低成本等方面具有的其獨特優勢，或將催生新型光電器件及其新的應用場景。
例如，預計有望透過矽基異質整合技術實現基於膠體量子點雷射器的片上雷射器（On-Chip Laser），為矽光晶片提供波長調諧範圍大、整合度高、成本較低的新型片上雷射器，推動矽光晶片在資料中心光互連、量子資訊、生物醫療、健康監測、智慧感測等領域的應用。
圖｜王愷（來源：王愷）
從“光之引擎”雷射技術說起
王愷表示，雷射技術如同現代科技的“光之引擎”，驅動著通訊、醫療到消費電子等領域的飛速發展。然而，經典的半導體雷射器依賴複雜的外延生長工藝，製造門檻和成本相對較高，並難以靈活調節發光波長。
近年來，一類無需複雜工藝的非外延式半導體雷射器異軍突起，在連續波長可調、易於異質整合、低成本等方面具有其獨特的優勢，成為國際上雷射研究的前沿之一。
在這一領域中，膠體量子點（CQD，Colloidal Quantum Dot）備受矚目。這種奈米級的“發光顆粒”不僅波長精準可調，還可以透過噴墨列印、光刻等工藝實現器件製備，為非外延式半導體雷射器的發展注入新的動力。
在眾多雷射器型別中，面發射雷射器憑藉其獨特的優勢，例如光束較集中、能量效率高，以及易於構建二維陣列等特點，其應用價值已得到充分驗證，應用場景亦在持續擴充套件。若能結合膠體量子點與面發射雷射器的優勢，便可獲取低成本、易整合、且具備寬波段覆蓋能力的高效能雷射光源。
光泵浦膠體量子點雷射器是實現未來電泵浦器件的關鍵技術基礎。近年來，國際學術界對膠體量子點雷射器的研究投入持續增加，相關技術發展迅速。然而，現有技術的發展道路上橫亙著三大難關，制約了其進一步的實際應用：
第一個難關是：閾值高、驅動難。現有研究多依賴飛秒雷射器驅動，不僅價格昂貴而且體積較大，為提升光泵浦膠體量子點雷射器的應用價值和普及潛力，亟需在顯著降低其激射閾值的同時，提升其對於更經濟、更實用的皮秒和納秒乃至準連續泵浦光源的相容性。
第二個難關是：壽命短、老化快。較高的激射閾值對膠體量子點材料在強雷射泵浦下的穩定性提出了嚴峻挑戰。目前，尚未出現關於膠體量子點雷射器連續穩定執行時間超過 10 小時的公開報道，長期工作穩定性成為制約其實用化的關鍵因素之一。
第三個難關是：器件大、整合難。傳統垂直腔面發射雷射器有限的光場束縛以及由此產生的較大模式體積，限制了器件的小型化和高密度整合。領域內已經報道的膠體量子點面發射雷射器陣列的整合密度通常僅為 100 至 300 點每英寸，難以滿足高整合度應用的需求。
光場束縛增強，為低閾值激射提供有力支援
在研究膠體量子點垂直腔面發射雷射器的過程中，課題組意識到垂直腔面發射雷射器是一個典型的一維光子晶體結構，其光場束縛能力有限。如果採用二維光子晶體，則從一維至二維，光場束縛的維度隨之提升，這將有助於實現更高的光學限制因子 Γ 和更低的激發閾值。
在對各類二維光子晶體進行分析，以及兼顧考慮光場束縛能力、膠體量子點整合工藝可行性等多個因素之後，研究團隊提出了膠體量子點環形布拉格微腔雷射的概念。
有了初步構思之後，他們迅速投入到理論建模和數值模擬中。他們利用模擬工具，針對雷射器的腔體結構、光場分佈、模式體積等關鍵引數進行反覆計算與最佳化。
模擬結果顯示：其所設計的膠體量子點環形布拉格微腔雷射器光學限制因子 Γ 高達 89%，遠超傳統垂直腔面發射雷射器的 39%，而且模式體積 V 大幅縮小，這極大地提升了 Purcell 因子，為實現低閾值雷射提供了有力支援。
而在實驗嘗試中，他們在搭建光學測試平臺時遇到了一系列問題：實驗室內的光學環境噪聲較大、測量儀器的靈敏度和解析度都不盡如人意、甚至泵浦光源的穩定性也時常影響測試資料。
為了確保資料準確，他們反覆調整光路以及升級部分檢測裝置，並針對每一個細節進行不斷除錯，力求打造一個精準、穩定的光學測試平臺。
在設計和製備膠體量子點環形布拉格微腔雷射器的過程中，儘管他們在前期設計中已經考慮到了諸多可能的實驗偏差，但在實際操作時仍然遇見一些意外情況。
環形布拉格微腔的結構引數比如週期、內徑等在加工過程中出現了微小偏差，導致預期中的光場束縛效果未能完全實現。面對這些問題，王愷和團隊迅速開展調整，最終使得器件效能逐漸接近設計目標。
最終，相關論文以《低閾值的面發射膠體量子點環形布拉格雷射器陣列》（Low-threshold surface-emitting colloidal quantum-dot circular Bragg laser array）為題發在 Light: Science & Applications[1]。
圖｜王愷與論文第一作者譚揚志合影（來源：王愷）
圖｜相關論文（來源：Light: Science & Applications）
如前所述，本次成果已經實現了低激發閾值、高整合密度、長工作壽命的光泵浦膠體量子點環形布拉格微腔面發射雷射器陣列。
下一步，課題組計劃將其與電致發光器件整合，實現間接電泵浦的膠體量子點雷射器，最終目標是未來實現直接電泵浦膠體量子點雷射器，為非外延半導體雷射器的發展注入新動力。
參考資料：
1.Tan, Y., Huang, Y., Wu, D.et al. Low-threshold surface-emitting colloidal quantum-dot circular Bragg laser array.Light Sci Appl 14, 36 (2025). https://doi.org/10.1038/s41377-024-01714-9
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