北理工团队在有机自旋材料激光研究方面取得重要进展

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北京理工大学物理学院团队在有机自旋材料领域取得突破性进展！该团队成功实现了在室温条件下，利用微波激射增益介质——并五苯掺杂对三联苯(Pc:Ptp)晶体，在可见光波段产生激光发射。这项研究成果发表在《Laser & Photonics Reviews》期刊上，标志着该有机自旋材料体系具备跨波段激射能力。

有机自旋材料，例如Pc:Ptp，因其易于制备且兼具高浓度和自旋相干特性，正日益受到关注。虽然Pc:Ptp三重态电子自旋的微波激射已被广泛研究，但其单重态（可见光）发射特性仍有待深入挖掘。

该研究团队发现，在590nm脉冲光泵浦下，Pc:Ptp晶体在645nm波长处的光发射线宽会随着泵浦能量密度的增加而变窄。当泵浦能量密度达到1.7 mJ/cm²（阈值）时，便产生了具有方向性和高强度的激光发射。研究人员通过仿真证实，晶体自身形成的光学法布里珀罗腔为激光的产生提供了必要的谐振模式。

图1. Pc:Ptp晶体结构及激光发射特性。

此外，实验结果表明，Pc:Ptp激光的偏振方向与晶体的b轴一致，偏振对比度高达0.75；激光发射方向性强，主要沿晶体a轴方向发射，这与并五苯分子的跃迁偶极矩特性密切相关。

图2. Pc:Ptp激光偏振和方向性分析。

为进一步确认激光特性，研究人员利用迈克尔逊干涉实验研究了Pc:Ptp晶体光发射的相干性。结果显示，相干性随泵浦能量密度增加而增强，并呈现突变行为，相干时间从0.19 ps增加到0.37 ps，最大相干长度达到0.11 mm。通过对比强弱泵浦下相干时间计算出的发射线宽与光谱测量值，研究团队间接展现了Pc:Ptp晶体从自发辐射到放大自发辐射（ASE），最终产生激光的完整过程，为区分ASE和激光过程提供了新的方法。

图3. Pc:Ptp晶体光发射相干性测量结果。

这项研究成果揭示了Pc:Ptp有机自旋材料的自腔激光特性，其低激光阈值和良好的相干性为提升基于Pc:Ptp的室温量子传感器的光学读出效率提供了新的思路，有望显著提升量子传感器的性能。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202401820

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