铅盐量子点的最低量子态的多重简并和胶体量子点与谐振腔耦合难度大阻碍了近红外胶体量子点激光器的发展。
据麦姆斯咨询报道，近期，由南京邮电大学和东南大学组成的科研团队在《物理学报》期刊上发表了以“基于硒化银量子点的近红外自组装激光器”为主题的文章。该文章第一作者为廖晨，通讯作者为廖晨和施伟华。
本工作利用基于硒化银（Ag₂Se）量子点咖啡环微腔进行了深入研究。基于咖啡环微腔的横截面建立仿真模型，分析了咖啡环微腔的振荡机制；研究了腔结构和量子点的增益特性对激光性能（阈值、发射波长、线宽）的影响；为实现高性能的激光器，对激光器参数进行了优化，最终设计并制备了激光发射波长位于近红外第二窗口的低阈值激光器。
Ag₂Se量子点的制备：本文采用溶剂热合成法制备Ag₂Se量子点，所需实验材料及具体步骤参照文献。
Ag₂Se量子点激光器的制备：将一小滴（0.2 μL）的浓度约为2 μM的Ag₂Se量子点甲苯分散液滴加到干净的石英基底上，制作咖啡环微型激光器。液滴的蒸发动力学受“咖啡环效应”的支配，蒸发后将在基底上留下一个良好定义的微米尺寸的圆环。
微腔结构
本文采用溶剂热合成法制备Ag₂Se量子点。Ag₂Se量子点的TEM图如图1(a)所示，其平均粒径约为3.2 nm。高分辨率TEM图（插图）表明了良好的结晶性，其晶格间距为0.24 nm，与斜方晶相Ag₂Se量子点的（013）晶面间距一致。如图1(b)所示，Ag₂Se量子点的第一激子吸收峰和荧光（PL）峰分别位于980 nm和1245 nm。量子点的PL峰相对于第一激子吸收峰表现出较大的红移（265 nm），有利于获得低阈值的光学增益，这是因为发射波长处的吸收减少。利用“咖啡环效应”制备基于Ag₂Se量子点的自组装微腔。将一小滴Ag₂Se量子点甲苯分散液滴加在石英基底上。在溶剂蒸发过程中，液滴的外部接触线与基底表面钉扎，因液滴蒸发的不均匀性，引起了显著的毛细补偿流，从而将Ag₂Se量子点输送至边缘，并形成环形沉积物。当积累的物质超过液面的高度时，接触线分离，留下了一个轮廓分明的固体环状结构。图1(a)展示了沉积形成的咖啡环自组装微腔的光学显微镜图，环直径约为950 μm，宽度约为10 μm。图1(b)中的原子力显微镜（AFM）图表明，环的形状在几十微米的长度上是均匀的，高度几乎恒定，约为1 μm。
图1 Ag₂Se量子点的特性表征
AFM的横截面图（图2(a)实线）显示了轮廓清晰的边界，内侧斜率约为45°，外侧斜率约为10°，外边界的倾角对应于在接触线分离之前蒸发液滴与石英基底的接触角。环的高度主要受两个因素影响，一方面由Ag₂Se量子点溶液的浓度决定，另一方面与溶液蒸发过程中接触线保持的时间有关。甲苯溶液蒸发过程较慢，使得接触线固定的时间更长，进而咖啡环中积累的物质更多，有利于形成较高的环状物。值得强调的是，接触线的保持时间与基底的清洁度密切相关。液滴在含有杂质的基底上的不均匀传播会增加液体在表面上停留的时间，从而导致接触线破裂，降低了物质的堆积高度，影响整体的均匀性。
理论分析
为探究该研究制备的咖啡环微腔的激光特性，对该自组装结构进行了有限元法数值模拟（使用COMSOL Multiphysics 6.1软件）。该自组装结构的横截面轮廓如图2(a)中的实线所示。首先分析咖啡环微腔的振荡方式。为了简单起见，此处暂将所有计算波长的净模式增益gmod都设为0。图2(a)展示了使用内部电场激发的模场图（TE模），得到该结构在1310 nm处的二维光场分布。图2(b)给出了沿光场传播方向的Ez场分布，揭示了腔内的驻波场分布特性。图2(c)展示了不同腔长的微腔发射谱。为了进一步探究咖啡环微腔的振荡机制，将其与标准F-P腔的自由光谱范围进行比较，如图2(d)所示。
图2 Ag₂Se量子点微腔的激光特性
为分析Ag₂Se量子点的光增益特性对激光性能的影响，引入了可变高斯型增益来模拟实验中不同的泵浦强度并精确预测咖啡环微腔的激光模式。图3(a)中实线为Ag₂Se量子点的线性吸收谱，通过从吸收系数中减去振幅为g的可变高斯型增益，将增益引入微腔材料的复折射率中。高斯型增益的发射谱如图3(b)所示。
图3 Ag₂Se量子点的光增益特性对激光性能的影响
通过改变分散液的浓度获得了不同腔长的咖啡环微型激光器。激光特性的表征光路示意图如图4(a)所示。腔长约为9.2 μm咖啡环微型激光器的激光发射谱如图4(b)所示。图4(c)展示了腔长约为7.9 μm的咖啡环微型激光器在泵浦通量低于（84 μJ cm⁻²）和高于（230 μJ cm⁻²）阈值时的激光发射谱，该微型激光器在室温下表现出近红外（1310 nm）单模发射和158 μJ cm⁻²的低阈值（图4(c)插图）。该微型激光器的激光阈值远低于发射波长相似的PbS量子点DFB激光器（770 μJ cm⁻²），也低于最新报道的重电子掺杂的PbS/PbSSe核/合金壳量子点激光器（160 μJ cm⁻²）。咖啡环微型激光器的激光发射谱如图4(d)所示。图4(e)展示了发射峰值波长不同的微腔的激光阈值。图4(f)表示咖啡环微型激光器具有杰出的抗降解性。
图4 咖啡环微型激光器激光特性的表征
咖啡环微型激光器的较低阈值可归因于以下几个因素：（1）Ag₂Se量子点最低量子态的2重简并；（2）Ag₂Se量子点与咖啡环微腔的高效耦合；（3）“咖啡环效应”导致的高量子点堆积密度。
综上所述，本文利用有限元分析软件COMSOL Multiphysics详细研究了咖啡环微腔的振荡方式，以及腔结构和Ag₂Se量子点的增益特性对激光性能的影响。证明了咖啡环微腔与Ag₂Se量子点存在强的光学耦合，光场在微腔横截面内沿之字形路径传播振荡。通过引入可变高斯型增益来精确预测咖啡环微腔的激光模式，设计近红外单模激光器，并分析性能。最后，参照仿真结果，实验制备了单模近红外的Ag₂Se量子点咖啡环微型激光器，通过增加激光器的腔长，使发射波长从1300 nm增加到1323 nm。线宽为0.3 nm，阈值低至158 μJ cm⁻²，是目前激光阈值最低的近红外胶体量子点激光器。结果表明，该研究制备的激光器具有低阈值、环境友好和制备简单等优点，在集成光子和光通信等领域具有巨大的应用潜力。
DOI: 10.7498/aps.73.20231457
延伸阅读：
《量子点材料技术及市场-2023版》
