Stable Continuous-Wave Perovskite Lasers by Harvesting Triplet Excitons
通过将准二维钙钛矿嵌入法布里-珀罗腔以建立强光-物质耦合，研究人员成功地将三线态激子从一个损耗通道转化为一种增益资源，从而实现了具有高效率和长期稳定性的室温连续波激光发射。
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激光是现代生活中隐形的劳动力，为从互联网的光纤电缆到杂货店的条形码扫描仪等一切设备提供动力。如今大多数激光器是由固体材料或气体制造的，但科学家们长期以来一直梦想着能用液态溶液来制造它们，从而使其可以被打印或涂抹在表面上。这些“溶液加工”材料，特别是被称为钙钛矿的一类晶体，由于其制造成本低廉且可以调节以发出几乎任何颜色的光，因此具有极高的前景。然而，一个根本性的障碍阻碍了它们成为实用的连续光源。在这些材料内部，当光产生时，会以固定的比例产生两种类型的能量包，即激子：每产生一个有用的能量包，就会产生三个无用的能量包。这些被称为“三线态”的无用能量包寿命较长，就像交通堵塞一样，最终会阻塞系统并杀死激光束。这个问题使得让这些激光稳定运行变得几乎不可能，尤其是在现实设备所需的真空密封环境中。
一组研究人员现在找到了一种清除这种交通堵塞的方法，使钙钛矿激光器能够连续运行超过一小时而不衰减。科学家们使用了一种天然形成薄层片状结构的特定类型钙钛矿晶体。他们将一小片这种材料放入一个微型镜盒中，这种设备被称为法布里-珀罗（Fabry–Pérot）腔，它能捕捉光线并迫使光在其中来回反射数千次。通过仔细调节镜片之间的距离，他们创造了一种条件，使光与材料的能量包紧密结合，以至于它们表现得像一个单一的混合实体。这种强连接重塑了晶体内部的能量格局。在这种新的能量结构下，那些无用的三线态能量包不再会被卡住并堆积，而是获得了一条快速、畅通的高速公路，转化为有用的光。
这种方法的实验结果是惊人的。在没有这种特殊镜盒的标准设置中，无用的能量包会停留超过一千纳秒，最终导致激光熄灭。在新的装置中，研究人员观察到这些能量包在仅 75 纳秒内就被清除了。这种快速清理防止了通常会导致激光停止工作的堆积现象。因此，该设备在室温且处于真空的环境下实现了稳定的连续光束，而在这种条件下，之前的尝试都失败了。该激光器的启动功率非常低，仅需每平方厘米 0.45 瓦，并且产生的光束非常紧凑，其发散角小于 0.2 度。最令人印象深刻的是，当团队让激光运行 3,600 秒后，它仍保留了原始亮度的 95%，证明了该机制足以应对长期使用。
为了确保这不仅仅是针对一种特定材料的偶然发现，团队还将同样的镜盒技术测试在另外两种常见的钙钛矿材料上。在两种情况下，无用能量包的寿命都显著下降，证实了该方法适用于不同类型的晶体。研究人员还排除了其他可能的解释，例如镜子仅仅是更好地捕捉了光，或者氧气的存在有助于清除能量包。他们表明，如果没有光与物质之间强耦合所提供的特定能量重塑，即使镜子完全相同，激光也会失效。这项研究表明，通过利用这种强耦合来创造一条新的能量路径，科学家可以将一种主要的损耗机制转化为一种资源。这一发现为构建下一代电泵浦激光器提供了一种通用策略，有望使廉价、可打印的光源离现实更近一步。
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