前言
在激光技术领域，被誉为“明星材料”的卤化物钙钛矿，因其优异的光电性能，一直被视为实现下一代低成本、高性能激光器的有力竞争者。然而，其固有的稳定性问题，尤其是在激光所需的高强度激发条件下材料的快速劣化，成为横亘在实用化道路上的巨大障碍。此前报道的钙钛矿激光器工作寿命往往只有几分钟到几小时。
来自中国科学院大连化学物理研究所的吴凯峰研究员、郭靖伟研究员团队（第一作者为李雪阳等）在顶级期刊《Science Advances》上发表了颠覆性的研究成果。他们成功开发了一种基于钙钛矿胶体纳米晶（NCs）的液体激光器，其输出强度在连续运行超过10天后依然保持稳定！ 这项突破性进展为钙钛矿激光器的实际应用打开了大门。
从“昙花一现”到“持久闪耀”
1. 材料与装置：液体体系破解稳定性困局
研究团队以溴化铯铅（CsPbBr₃）钙钛矿纳米晶为增益介质，将其分散在甲苯溶液中，置于法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔体内，通过纳秒脉冲激光激发，实现了稳定的绿色激光输出。
稳定性革新：在连续运转10天（高泵浦能量下）后，激光输出强度无任何衰减，远超此前钙钛矿固体激光器“仅能工作数分钟至数小时”的局限。
效率提升：通过双脉冲激发方案，将激光功率效率从单脉冲的1.2%提升至4.2%，突破了因纳米晶增益寿命较短（160皮秒）导致的效率瓶颈。
2. 性能与优势：全方位超越传统技术
光谱可调谐：除绿色激光外，团队还通过碘化铯铅（CsPbI₃）纳米晶实现了深红色液体激光，为覆盖全可见光波段（400-700nm）的可调谐激光器奠定基础。
热管理优势：液体体系通过溶剂快速散热，解决了钙钛矿材料在高激发条件下的热降解问题，稳定性远超固体薄膜器件和传统有机染料激光器。
实用化潜力：激光光束具有良好的方向性和时间相干性，阈值与染料分子相当，且无需像染料激光器那样依赖液体循环系统，大幅降低了设备复杂度。
重大意义
1. 解决核心痛点：从根本上攻克了钙钛矿材料在实现激光应用（需高激发密度）时固有的稳定性瓶颈，为钙钛矿激光器走向实用化扫除了最大障碍。
2. 液体激光新选择：提供了一种性能远超传统有机染料（更抗光漂白、更稳定）的新型液体增益介质，尤其适用于无需液体循环的静态工作模式，简化了系统结构。
3. 开辟应用前景：超长工作寿命、合理效率、可见光可调性及液体特性，使其成为光谱分析、生物医学成像、光流控、传感、显示技术等领域极具潜力的新型紧凑型波长转换光源，可作为独立可调激光器或集成于大型激光系统中，补充或替代现有光学参量振荡器/放大器。
4. 基础科学价值：深入理解了钙钛矿纳米晶中双激子动力学（τXX=176ps）对增益寿命的限制机制，并创新性地通过激发工程（双脉冲）有效提升了激光性能，为设计高性能纳米晶激光器提供了新思路。
5. 电驱动曙光：该液体激光技术与电化学发光原理结合，为未来探索电泵浦钙钛矿激光提供了潜在路径。
图1：钙钛矿液体激光器工作原理
使用CsPbBr3纳米晶(NCs)溶液的液体激光。
(A) CsPbBr3纳米晶的代表性透射电子显微镜(TEM)图像；插图为这些立方体纳米晶边缘长度的分布直方图。
(B) 分散在甲苯中的 CsPbBr3 纳米晶的吸收光谱（绿色）和光致发光（PL）光谱（深绿色）。图中也显示了激光实验中使用的两个分布式布拉格反射镜（dBR mirrors）的反射光谱，紫色线和橙色线分别代表高反射镜（HR mirror）和输出耦合镜（OC mirror）。
(C) 液体激光器在法布里-珀罗（Fabry-Pérot）腔中的示意图，该腔由波长为355纳米、脉宽为7纳秒的脉冲进行侧面泵浦。
(D) 液体激光器在泵浦能量密度（pump fluence）从15到1333mJcm⁻²变化下的输出光谱。
(E) 输出强度和光谱宽度[半峰全宽(FWHM)]随泵浦能量密度变化的函数关系。图中标出了155mJcm⁻²的激光阈值。
图2：激光模式与相干性验证
激光特性表征
(A) 距离输出耦合镜 (OC mirror) 65厘米处的光束形态图像。水平切面拟合为直径（半峰全宽，FWHM）为2.1毫米的高斯分布。
(B) 使用迈克尔逊干涉仪（两臂间时间延迟为333飞秒 (fs)）测得的激光干涉条纹。
(C) 腔内插入标准具（0.15毫米，石英）后改变的激光光谱。图中标明了尖锐峰（0.1纳米）的宽度和峰间距（0.66纳米）。
(D) 腔内放置布儒斯特窗 (Brewster window) 时，激光强度（绿色圆圈）的极坐标图；该分布可用余弦平方函数（深绿色线）拟合。
图3：史诗级稳定性对比
激光稳定性与效率
(A) 在400mJcm⁻²泵浦能量密度激发下，CsPbBr₃纳米晶(NCs) 溶液（绿色圆圈）、相同纳米晶的旋涂薄膜（浅绿色菱形）和香豆素485(Coumarin 485) 染料溶液（黄色方块）的时间依赖性激光强度。图中也显示了在120mJcm⁻²激发下的染料激光器（橙色三角）。注意：对于薄膜，测量的是放大自发辐射(ASE)强度。
(B) 在890mJcm⁻²激发下，使用循环流动的CsPbBr₃纳米晶溶液的液体激光器的时间依赖性输出强度（绿色圆圈）。插图为循环液体激光器的照片。
(C和D)不同浓度的CsPbBr₃纳米晶（绿色圆圈）和香豆素485（黄色方块）的激光阈值(C)和效率(D)。
图4：增益寿命瓶颈的微观解密
CsPbBr₃纳米晶的光学增益寿命
(A和B)在400纳米、约70飞秒（fs）激光激发后，于指定延迟时间测量的CsPbBr₃纳米晶甲苯溶液的瞬态吸收（tA）光谱。其中，(A)和(B)的平均初始激子数每纳米晶（〈N〉）分别为0.4和8。
(C) 在激子漂白（exciton bleach）中心波长探测的、不同〈N〉下的瞬态吸收（tA）动力学曲线，各曲线在其长寿命尾部进行了归一化缩放。插图为通过从〈N〉≈0.3、0.6和1.0的动力学曲线减去〈N〉≈0.14的动力学曲线而获得的双激子（biexciton）复合动力学（绿色符号），及其符合单指数衰减（时间常数τXX=176皮秒(ps)）的拟合结果。
(D) 在〈N〉≈8时增益光谱的二维伪彩色图。图中显示在激光波长537纳米处的增益寿命(τg)为160皮秒 (ps)。
图5：双脉冲激发——效率倍增器
双脉冲激发提升激光效率
(A) 液体激光器的双脉冲激发方案示意图。BS：分束器(Beam splitter)；HWP：半波板(Half-wave plate)；PBC：偏振合束器 (Polarization beam combiner)。
(B) 双脉冲激发（绿色圆圈）和单脉冲激发（黄色方块）下激光器的效率随输出耦合镜(OC mirror)透射率变化的函数关系及其拟合曲线（绿色和橙色线，使用公式1）。拟合得出双脉冲激发和单脉冲激发的增益系数分别为g=1.61cm⁻¹和g= 0.68cm⁻¹。
未来可期
这项突破让稳定、免维护、颜色可调的钙钛矿液体激光器从梦想照进现实。未来它可能集成在芯片实验室里做疾病检测，用在精密仪器中进行材料分析，甚至为新一代显示技术提供光源，应用前景非常广阔。中国科学家在这一前沿领域的领先成果，为下一代激光技术发展开辟了新赛道。
DOI： 10.1126/sciadv.adq9002
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