上海微系统所实现基于钙钛矿量子点的高稳定柔性纳米激光器

　　近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室邓诗凯研究员团队，开发出一种基于钙钛矿量子点的柔性纳米激光器，实现了机械变形下波长与强度高度稳定的纳米激光器。传统柔性光子器件虽能通过应变实现波长调谐，却在变形时难以维持输出稳定性;该结构虽采用泊松比约为0.5的聚二甲基硅氧烷衬底，却因其在双轴拉伸时晶格周期自补偿效应，实现了高达15%应变下共振波长几乎不变的关键突破。为未来智能传感、增强现实(AR)显示和生物集成光子技术开辟了新路径。相关成果与2026年2月19日以“Quantum Dots on Flexible Nanohole Arrays Support Stable Nanolasing”为题发表于国际知名期刊《ACS Nano》。

　　该团队提出将人脸识别作为可以利用柔性和稳定激光的场景之一。在这种情况下，人脸识别的分辨率由每个采样点获取的激光信号数量决定。通过在我们的柔性纳米激光器中引入表面形变，可以实现具有稳定波长的可调谐激光束和角度。激光发射方向由发射点的表面法线决定。因此，通过控制凸起高度来调整发射点的法线方向，可以操控光束偏转和激光发射范围。此外，量子点表面纳米孔阵列上凸起的数量和高度可以改变激光输出的密度和角度。当集成到相机系统中时，调整这些凸起参数会改变激光信号的空间分布和数量，从而能够精确控制从每个特征点收集的信息。为了实现这一提议的功能，需要一种能够在拉伸和弯曲下保持稳定激光并实现光束角度控制的柔性纳米激光器。

　　研究团队设计了一种复合结构：在一片具有周期性纳米孔阵列的PDMS薄膜上，填充并覆盖一层钙钛矿量子点(CsPbBr3)薄膜。这种结构利用了导模共振(GMR)效应，当受到外部光泵浦时，能在特定波长(~532 nm，绿光)产生稳定的激光发射，阈值低至~15 μJ/cm2。通过理论模拟发现，当材料在受力形变时，其共振波长是否漂移，取决于一个关键参数——泊松比。通过精确调控PDMS的组分，使其泊松比达到~0.5，该结构在受到拉伸时，两个正交方向的形变能够相互“抵消补偿”，保持有效周期和共振波长的稳定性，从而有效抑制了共振波长的漂移。

　　实验结果表明，在高达15%的拉伸应变下，该纳米激光器的发射波长和强度均保持稳定;在经过1000次的反复拉伸循环(5%应变)后，性能依然保持稳定。此外，研究团队充分利用该器件的柔性和法向发射特性，展示了多种功能性应用。1. 通过将激光阵列贴附于曲面(圆柱面或球面)，实现了超过±50°的三维空间发射方向动态调控;2. 通过将柔性激光器直接贴合在旋转风扇的叶片上，通过实时监测激光信号的周期性变化，完成了转速测量，这种共形贴合的能力，使其能轻松应用于各种不规则运动部件的状态监测。3. 通过在激光器下方制造不同高度的凸起结构，利用局部形变改变表面的法线方向，成功实现了光束角度的可编程控制即激光光斑面积的连续可调。研究团队进一步提出了将该柔性稳定纳米激光器应用于人脸识别系统的设想：通过调控阵列表面的凸起参数，可精确控制每个特征点采集的激光信号数量和角度，从而提升识别分辨率。

　　该研究不仅解决了柔性纳米激光器在机械形变下的波长稳定性难题，还通过结构创新赋予器件主动空间光场操控能力，为柔性激光器从概念验证走向实际应用奠定了基础，在自适应AR投影显示、非接触式悬浮触控界面及高速3D重建可编程结构光传感器等下一代人机交互和智能感知应用场景中展现出广阔前景。

　　论文的第一作者为上海微系统所的博士研究生郑少斌，通讯作者为上海微系统所的邓诗凯研究员。该研究得到了国家自然科学基金(No.62275257)、国家自然科学基金委海外高层次人才计划、中国科学院引进人才计划等项目的支持。