实验室董国平教授团队：基于配位聚合物复合玻璃微腔实现多波长超低阈值上转换激光
微型化、低功耗和多功能上转换激光光源是未来集成光子器件发展的重要方向。稀土掺杂上转换纳米晶作为实现低阈值、多波长微型激光器的核心增益介质，其与光学微腔的有效集成一直面临巨大挑战。如何在保持纳米晶发光效率的同时，构建高品质、低损耗的微腔结构，是实现高效、稳定及多波长激光输出亟待突破的瓶颈。
华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室董国平教授课题组利用稀土掺杂上转换纳米晶/配位聚合物复合玻璃微瓶谐振腔，实现了从可见光到近红外区域的多波长超低阈值上转换激光输出，有望拓展其在紧凑型多功能集成光子器件等领域的应用。
传统上转换微腔激光器多依赖在聚合物或氧化物玻璃微腔表面涂覆掺杂纳米颗粒，或通过高温原位析晶在玻璃微腔内部形成纳米晶增益介质。前者因涂层引入界面散射损耗，后者则面临高温处理导致纳米晶尺寸与分布不均、晶相难以控制、非辐射弛豫增强等问题，限制了微腔激光性能的进一步提升。如何在温和条件下实现纳米颗粒的无损、均匀嵌入并保持高品质微腔特性，是该领域长期面临的共性挑战。
图1.复合玻璃的制备与性能表征
针对上述难题，该团队创新性地选用ZnCl2(bIm)2 (bIm = C7H6N2)配位聚合物玻璃作为微腔基质，其低熔融温度（225.5°C）使得稀土掺杂上转换纳米颗粒可在温和条件下实现无损嵌入。该玻璃熔体对纳米颗粒表现出优异的界面润湿性（接触角25.6°），形成高达2.52×103 zJ的界面能垒，有效抑制颗粒团聚，结合热动能（~7.63 zJ）的协同作用，使纳米颗粒在低黏度熔体中迅速实现均匀分散。复合前后纳米晶结构完整，发光特性无明显变化，且微腔高Q值得以保持。基于该复合材料制备的微瓶腔（直径~20 µm），在980 nm激光泵浦下，实现了覆盖400-850 nm范围内的多波长上转换微腔激光输出，泵浦阈值低至140 nW，线宽仅0.14 nm，且输出波动低于5%。该工作通过配位聚合物玻璃的低温加工优势与优异界面相容性，解决了纳米颗粒无损分散与微腔光学性能保持的协同难题，为高性能集成上转换光子器件开辟了新路径。
图2.多波长上转换微腔激光的输出特性
相关研究成果以“Multi-Wavelength Upconversion Lasers Basedon Coordination Polymer Glass Incorporating Lanthanide-Doped Nanoparticles”为题发表在Advanced Materials上，其中通讯作者为董国平教授，肖秀娣教授，第一作者为陈为为博士。该研究工作得到了广东省重点研发项目(2026B0101060001)，国家自然科学基金项目(52572162,62405092, 52572006)等科研项目的资助。
