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设计与表征

ZnSe–ZnS核壳量子点（QDs）采用改进的合成方法制备，具有锌闪石晶体结构，核壳平均直径分别约为3.50 nm和7.82 nm。对于典型的I型核壳量子点，光学增益主要由核心区域贡献，因此，使用相对薄壳样品可以实现较大的增益系数。然而，紧凑型量子点的激光发射通常受快速非辐射Auger复合的影响。该工作采用高温壳层涂覆条件加速阴离子扩散，并形成界面合金ZnSe_1−xS_x以平滑原本陡峭的限制势阱并抑制Auger复合。最终，ZnSe–ZnS核壳量子点的组成实际为ZnSe–ZnSe_1−xS_x–ZnS。ZnSe–ZnS量子点的吸收和光致发光（PL）光谱显示，涂层处理后，首个激子吸收峰从397 nm红移至412 nm。PL带边峰约为420 nm，窄全宽半高（FWHM）约14 nm，量子产率约为50%。时间分辨PL测量显示双指数衰减，时间常数分别为6.3 ns（63%）和21 ns（37%）。

图1：ZnSe–ZnS量子点表征

飞秒瞬态吸收和光学增益

图2表明在低泵浦能量11.7 μJ cm⁻²下，以412 nm的激子消光为主，归因于带边1S_hh/lh–1S_e跃迁的状态填充。在高泵浦能量2744 μJ cm⁻²下，光谱显示多个早期消光特征，指示激子状态的序列填充。经过多激子衰减后，TA光谱最终回归至低激子数下的光谱。图2c显示了在412 nm带边激子消光处不同激子数下的TA动力学。随着激子数的增加，快速衰减成分的幅度也增大。通过从高激子数的TA动力学减去低激子数的TA，得到双激子寿命为1.2 ns。

随着激子数增加，非线性吸收光谱A′在长波长区域最终变为负值，实现光学增益。增益阈值出现在平均激子数约为1处，表明增益由双激子增益主导。在较大激子数下，光学增益覆盖了390-440 nm。通过与量子点的稳态吸收交叉截面比较，当激子数为12.8时，422 nm和404 nm处的增益截面（σ_g）比早期CdSe量子点大五倍。

图2：ZnSe–ZnS量子点的飞秒瞬态吸收和光学增益

自发辐射增强

使用条形激光束激发该溶液，在低泵浦能量下观察到宽自发辐射，当泵浦能量超过特定值时，转变为自发辐射增强（ASE）状态，阈值约为1.7，与双激子增益机制一致。此外，404 nm处出现高能ASE峰，与高能增益特征相关。量子点的长增益寿命（τ_g = 812 ps）表明无需飞秒激发脉冲，在纳秒激发下，量子点溶液的发射同样显示出从宽自发辐射转变为423 nm处的尖锐ASE。发射强度与泵浦能量的关系显示出约3 mJ cm−2的ASE阈值，模态增益系数为53 cm⁻¹，远大于液体的光学散射损失。在飞秒和纳秒激发情况下，量子点溶液的ASE均表现出强方向性。

图3：飞秒和纳秒激发的ZnSe–ZnS量子点溶液自发辐射增强（ASE）

可调液体激光发射

为实现激光振荡，需要使用腔体提供多次增益所需的反馈，从而产生更窄且可调的光谱输出。为此，设计了一个Littrow配置的腔体，包括高反射率银镜和光栅。通过调节光栅角度，蓝激光可调范围为417 nm-424 nm，线宽仅为0.2 nm，相比之下，自发发光和ASE的线宽更宽。在光束轮廓和方向性测量中，激光束表现出对称的高斯型强度轮廓，光束半径在不同距离下呈现扩展。激光的传播因子因多模特性而高于单模激光。使用迈克耳孙干涉仪评估量子点激光的时间相干性，其具有高时间相干性。此外，ZnSe–ZnS量子点工作稳定性高，激光强度在6小时内几乎没有衰减，并表现出“光增亮”效应。

图4：纳秒激发下，Littrow腔的可调液体激光发射

图5：激光方向性、相干性、偏振性和稳定性

总结

该工作使用具有尺寸紧凑和增强抑制特性的ZnSe–ZnS核壳量子点溶液实现了蓝色自发辐射增强（ASE）和激光发射。其显著的激光稳定性使ZnSe–ZnS量子点溶液成为液态光学增益介质及其他传统激光染料或CdSe量子点无法应用的技术中的一种有前景的解决方案。此外，使用ZnSe_xS_1−x核，有望将液态量子点激光的波长扩展到紫外区域。

全文链接：
https://doi.org/10.1038/s41565-024-01812-0