近日，美國洛斯阿拉莫斯（Los Alamos）國家實驗室的團隊克服了膠體量子點技術的高強度發光器件關鍵問題，研發出一種兼具光激發雷射器和高亮度電驅動LED的雙功能雷射器件。
該成果可稱作電泵浦膠體量子點雷射器或雷射二極體技術的關鍵里程碑，將為集成電子和光子學、光互連、晶片實驗室平台、可穿戴設備和醫療診斷等眾多領域帶來重大影響。
該研究團隊負責人Victor Klimov表示：「對膠體量子點雷射二極體的探索，體現了人們為實現基於溶液加工材料的電驅動雷射器和放大器而做出的努力。這些器件兼容性和擴展性強，易於與晶片上光電子（包括傳統的矽基電路）集成，從而備受歡迎。」
這種新設備與標準LED一樣，均通過量子點層作為電驅動光發射器。然而，由於極高的電流密度（> 500 A/cm2），該器件表現出了前所未有的發光強度，光功率超過1×106 cd/m2，可應用在日光顯示器、投影儀和交通燈等設備中。
此外，量子點層還可充當具有高增益的光波導放大器。Victor Klimov所在的團隊利用包含電荷傳輸層和電驅動所需的多種元件的LED設備堆棧得到窄帶雷射。該研究完善了膠體量子點雷射技術，在電抽運雷射演示領域具有重要意義。
大多數量子點雷射研究均利用短雷射脈衝激發光學增益介質，因此通過電驅動量子點產生雷射具有極大挑戰性。該研究團隊利用他們所研發的新設備朝著這一目標邁出重要一步。
量子點團隊的首席設備專家Namyoung Ahn說：「實現這一目標的其中一個挑戰在於電氣和光學設備的設計，該類設備的電荷注入路徑必須能夠產生和維持極高的電流密度以實現雷射作用。同時，還必須具有較低的光學損耗，以提高在薄量子點激活介質中產生的增益。」為此，該團隊開發了新的納米晶體，他們稱之為「緊湊型成分梯度量子點」。
為了提升光放大效應，研究人員將設備中吸收率低的有機層替換為類金屬材料，以降低設備光損耗。此外，該團隊還設計了一種多層結構器件，以減弱高吸收電荷傳輸層中的光場強度，同時在量子點增益介質中增強光場強度。
最後，為了實現雷射振盪，該團隊所開發的器件利用作為周期性光柵的光學諧振器輔助，並將其集成到器件電極中。該光柵作用原理類似於分布式反饋諧振器，允許光在量子點層橫向平面內循環，從而實現多程放大。
然而，由於受電流熱效應的影響，目前仍然無法完全實現電驅動雷射生成，這依舊是雷射領域需要迫切研究的問題。
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