南京理工大学「国家高层次人才」王跃/南京邮电大学任银娟Science子刊 | 兆瓦级峰值功率量子点激光器!

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胶体量子点（QDs）因其优异的光学特性（如大吸收截面、高荧光量子产率、溶液可加工性）被视为极具潜力的低成本激光增益介质。尽管在显示领域已商业化，但其激光输出功率长期局限于毫瓦级，严重制约了在医疗诊断、激光显示、精密加工等领域的实际应用。

传统激光技术在黄色光谱范围（576–597 nm）存在“黄色间隙”，现有方案如非线性倍频或有机染料激光系统因复杂性和稳定性问题难以满足需求。量子点激光器虽在光谱调谐和腔集成方面表现出优势，但受限于高泵浦阈值、低增益系数及不良的热稳定性，其输出功率提升一直是一大挑战。因此，开发高功率、高效率的量子点激光器成为该领域亟待突破的关键问题。

图1 所合成的 CdZnSe/ZnSe/ZnSeS/ZnS 量子点的结构与光学性质

南京理工大学材料学院王跃、南京邮电大学任银娟团队报道了一种基于胶体量子点的激光器，首次实现了兆瓦级峰值功率输出。通过设计具有窄发射线宽（16.5 nm）和大双激子结合能（50.5 meV）的三元量子点（CdZnSe/ZnSe/ZnSeS/ZnS），并结合瞬态光谱与理论模拟，证实其具备亚单激子增益阈值和创纪录的高饱和增益截面。

采用Littman-Metcalf谐振腔结构，该激光器实现了连续可调的窄线宽（0.17 nm）激光输出，并通过种子-放大器结构实现同步放大，输出峰值功率达1.25 MW，提取效率约40%。该激光器具备高空间相干性、线偏振性和操作稳定性，可作为光谱研究的高功率泵浦源，并为解决“黄色间隙”提供了可行方案。

图2 量子点的光学增益与放大自发辐射（ASE）性能

研究成功实现了兆瓦级峰值功率的胶体量子点激光器，其核心突破在于将优化后的量子点增益介质与种子-放大器架构相结合。该激光器不仅输出功率高，还具备良好的光束质量、偏振稳定性和长时操作耐久性，并能通过调节量子点组成与腔镜角度实现从绿光到红光的宽谱调谐，覆盖了技术上有重要需求的黄色波段。与传统有机染料激光器相比，量子点激光器在保持宽调谐能力的同时显著提升了稳定性，有望替代现有技术。未来，通过进一步设计量子点薄膜增益介质与实现电泵浦，该技术有望推动固态量子点激光器的发展，并在医疗、显示、制造与光谱学等领域发挥重要作用。

Yuting Wu et al., Unlocking megawatt-peak-power laser emission with colloidal quantum dots. Sci. Adv.11, eaea8326(2025). DOI:10.1126/sciadv.aea8326

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