近日，柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院黃維院士、賴(lài)文勇教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合香港浸會(huì)大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)等國(guó)際科研機(jī)構(gòu)，在有機(jī)半導(dǎo)體非線性光學(xué)研究領(lǐng)域取得里程碑式進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出“光譜調(diào)諧增益誘導(dǎo)拉曼激射”理論模型，揭示了分子振動(dòng)與受激輻射共振匹配的核心機(jī)制，首次成功在有機(jī)半導(dǎo)體材料中實(shí)現(xiàn)拉曼信號(hào)的指數(shù)級(jí)放大和高效多階拉曼激射，而且無(wú)需依賴(lài)復(fù)雜的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)。該研究突破了傳統(tǒng)非線性光學(xué)理論中“分子振動(dòng)增益弱、依賴(lài)高能量泵浦”的瓶頸，為拓展有機(jī)半導(dǎo)體在拉曼激光等非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)，更為發(fā)展柔性拉曼激光器、實(shí)現(xiàn)高精度傳感檢測(cè)等提供新思路新方法。相關(guān)研究以“Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors”為題發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·材料》（Nature Materials, 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9）。
Nature Materials刊發(fā)黃維院士、賴(lài)文勇教授團(tuán)隊(duì)最新成果
有機(jī)半導(dǎo)體因其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和光電特性，被視為下一代柔性電子技術(shù)的核心材料，在柔性顯示、柔性光伏等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，其非線性光學(xué)效應(yīng)需依賴(lài)極高能量激發(fā)，導(dǎo)致材料易被強(qiáng)光損傷，長(zhǎng)期制約其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。拉曼散射是一種基于分子振動(dòng)產(chǎn)生光學(xué)增益的非線性光學(xué)技術(shù)，因其特有的分子振動(dòng)特征信號(hào)和靈活的光譜可調(diào)諧性，在爆炸物檢測(cè)、生物成像、光通訊等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。傳統(tǒng)拉曼激射技術(shù)依賴(lài)高能量泵浦光源以克服分子振動(dòng)損耗，導(dǎo)致設(shè)備繁雜、成本高昂。如何實(shí)現(xiàn)“低閾值、高增益”的拉曼激射，一直是全球科學(xué)家面臨的難題。
受激輻射與拉曼散射共振匹配
針對(duì)該難題，研究團(tuán)隊(duì)從量子光學(xué)與分子振動(dòng)的協(xié)同耦合機(jī)制出發(fā)，提出受激輻射與拉曼散射共振匹配理論，發(fā)展了“光譜調(diào)諧增益誘導(dǎo)拉曼激射”新方法，成功實(shí)現(xiàn)拉曼信號(hào)的指數(shù)級(jí)放大。基于該方法制備的拉曼光學(xué)器件展現(xiàn)出超低閾值（20-50 μJ/cm2），比現(xiàn)有主流拉曼激光器降低了4個(gè)數(shù)量級(jí)。拉曼激射信號(hào)呈現(xiàn)出超強(qiáng)的能量輸出，信噪比可以達(dá)到30分貝以上，并成功實(shí)現(xiàn)帶寬超過(guò)110 nm的級(jí)聯(lián)拉曼信號(hào)。拉曼光學(xué)器件在爆炸物檢測(cè)方面靈敏度驚人，在億分之一空氣濃度下，二硝基甲苯和三硝基甲苯的檢測(cè)靈敏度分別達(dá)到95%和80%以上。
這一突破性發(fā)現(xiàn)顛覆了非線性光學(xué)中“高能量換取高增益”的傳統(tǒng)理論認(rèn)知，得到國(guó)際評(píng)審專(zhuān)家的高度認(rèn)可，指出該研究“開(kāi)辟了新的視角來(lái)完美解決拉曼增益不足這一世界性難題，有望重塑拉曼激射研究方向，并廣泛拓展于不同材料體系中”。研究成果拓寬了有機(jī)半導(dǎo)體應(yīng)用場(chǎng)景，開(kāi)辟了有機(jī)半導(dǎo)體拉曼激光新方向，為有機(jī)半導(dǎo)體在拉曼激光等非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要理論基礎(chǔ)，也標(biāo)志著我國(guó)在柔性電子與光子學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際引領(lǐng)地位。這一技術(shù)有望在可見(jiàn)光通訊、便攜式爆炸物實(shí)時(shí)檢測(cè)、可穿戴無(wú)創(chuàng)健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用。
柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院黃維院士、賴(lài)文勇教授、香港浸會(huì)大學(xué)謝國(guó)偉教授和新加坡國(guó)立大學(xué)劉小鋼院士為論文的共同通訊作者；柔性電子全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院江翼教授、碩士研究生林赫和潘勁強(qiáng)為論文共同第一作者。英國(guó)圣安德魯斯大學(xué)Ifor Samuel教授為結(jié)果數(shù)據(jù)分析提供了幫助和建議。相關(guān)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項(xiàng)目等資助。
級(jí)聯(lián)拉曼激射的光譜調(diào)諧特性
級(jí)聯(lián)拉曼激射光譜圖
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02196-9
（撰稿：江翼 初審：?jiǎn)套媲佟⒘_志敏、戴修斌 編輯：王存宏 審核：張豐）