近日，北京理工大學物理學院量子技術研究中心吳昊、趙清團隊實現(xiàn)了微波激射增益介質(zhì)——并五苯摻雜對三聯(lián)苯(pentacene-doped p-terphenyl, Pc:Ptp)晶體在可見光波段的激光發(fā)射，證實了該有機自旋材料體系在室溫條件下跨波段激射能力。相關成果以“Room-Temperature Self-Cavity Lasing From Organic Spintronic Materials”為題發(fā)表于《Laser & Photonics Reviews》[Laser Photonics Rev., 2401820 (2025)](中科院一區(qū))。該研究工作得到了國家自然科學基金、北京理工大學青年教師學術啟動計劃、中國博士后科學基金等項目的大力支持。該工作的合作單位為英國帝國理工學院，北京理工大學是唯一通訊作者單位。北京理工大學物理學院博士研究生張敏娜為該論文的第一作者，吳昊助理教授、趙清教授為論文通訊作者，姚旭日副教授、麻霽陽博士以及帝國理工學院Mark Oxborrow教授為該工作提供了實驗指導和建議。
 

　　自旋材料在量子信息和傳感中有廣泛應用，尤其是無機體系(如金剛石氮空位色心)因其優(yōu)異的自旋特性被廣泛研究。然而，制備高質(zhì)量、濃度適中的無機自旋材料存在挑戰(zhàn)。與此不同，有機自旋材料如Pc:Ptp，因其易于制備、可兼顧高濃度和自旋相干屬性，正逐漸受到關注。盡管已有研究系統(tǒng)性探索了Pc:Ptp三重態(tài)電子自旋的微波激射，其單重態(tài)(可見光)發(fā)射特性仍未被充分挖掘。
 

　　該研究發(fā)現(xiàn)，Pc:Ptp晶體在590nm脈沖光泵浦下，其位于645nm的熒光發(fā)射線寬隨泵浦能量密度增加而變窄，最終當泵浦密度達到1.7 mJ/cm2(閾值)時，展示出具有方向性和高強度的激光。通過仿真，確認了晶體本身形成的光學法布里珀羅腔為激光的產(chǎn)生提供了諧振模式。
 

圖1. Pc:Ptp的晶體結構和激光發(fā)射。
 

　　此外，Pc:Ptp激光的偏振與晶體的b軸一致，顯示出高偏振對比度(0.75)。激光的發(fā)射方向性強，且主要沿晶體a軸發(fā)射，上述現(xiàn)象與并五苯分子的躍遷偶極矩密切相關。
 

圖2. Pc:Ptp激光的偏振和方向性。
 

　　為了進一步證實激光屬性，研究人員基于邁克爾遜干涉實驗研究了Pc:Ptp晶體光發(fā)射的相干性，其相干性隨泵浦能量密度增加而增強，并呈現(xiàn)突變行為。相干時間從0.19 ps增加至0.37 ps，最大相干長度為0.11 mm。另一方面，通過相干時間所計算得到的發(fā)射線寬與光譜所測線寬進行對比發(fā)現(xiàn)，強泵浦下兩值接近，而弱泵浦下兩值差異較為明顯，間接展示了Pc:Ptp晶體從自發(fā)輻射到放大自發(fā)輻射(ASE)再到產(chǎn)生激光的過程，為分辨ASE和激光過程提供新的方法。
 

圖3. 相干測量。
 

　　該研究工作揭示了Pc:Ptp有機自旋材料的自腔激光特性，其激光閾值屬性和相干性為Pc:Ptp室溫量子傳感應用中的光學讀出效率提升提供了新思路，有望進一步提升基于Pc:Ptp的量子傳感器性能。