有機半導體拉曼激光取得突破性進展
研究背景
有機半導體，因其獨特的光電性能，尤其是在柔性化、大面積、低成本以及節能環保等方面的顯著優勢，被認為是引領信息科技的顛覆性創新技術、“未來柔性電子技術的核心材料”，已經在發光二極管、太陽能電池、晶體管和激光器等多個領域展現出廣闊的應用前景。然而，現有的非線性光學技術通常需要巨大能量才能產生明顯的非線性光學效應。有機半導體自身光損傷風險較高，嚴重制約了其在非線性光學領域的應用。作為典型代表，受激拉曼散射因其特有的分子振動特征信號和靈活的光譜可調諧性，引領了拉曼激光器、相干拉曼散射顯微成像、硅基集成光子學等前沿領域的發展。然而，分子振動產生的拉曼增益普遍較低，需要施加較高泵浦能量才能克服損耗并獲取凈光學增益。如何實現“低閾值、高增益”的拉曼激射，一直是全球科學家面臨的難題。
南京郵電大學柔性電子全國重點實驗室/化學與生命科學學院黃維院士、賴文勇教授團隊與香港浸會大學謝國偉教授、新加坡國立大學劉小鋼院士合作，在有機半導體非線性光學研究領域取得里程碑式進展。團隊創新提出“光譜調諧增益誘導拉曼激射（STGI-SRS）”理論模型，揭示了分子振動與受激輻射共振匹配的核心機制，首次成功在有機半導體材料中實現拉曼信號的指數級放大和高效多階拉曼激射，而且無需依賴復雜的光學微腔結構。該研究突破了傳統非線性光學理論中“分子振動增益弱、依賴高能量泵浦”的瓶頸，為拓展有機半導體在拉曼激光等非線性光學領域的應用奠定了理論基礎，更為發展柔性拉曼激光器、實現高精度傳感檢測等提供新思路新方法。
研究成果近期以“Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors”為題發表在國際頂級學術期刊Nature Materials（DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9）。柔性電子全國重點實驗室/化學與生命科學學院黃維院士、賴文勇教授、香港浸會大學謝國偉教授和新加坡國立大學劉小鋼院士為論文的共同通訊作者，南京郵電大學柔性電子全國重點實驗室/化學與生命科學學院江翼教授、碩士研究生林赫和潘勁強為論文共同第一作者。英國圣安德魯斯大學Ifor Samuel教授為結果數據分析和論文提升提供了大量幫助和建議。
研究亮點
STGI-SRS：從量子光學與分子振動的協同耦合機制出發，提出受激輻射與拉曼散射共振匹配理論，發展了“光譜調諧增益誘導拉曼激射”新方法，成功實現拉曼信號的指數級放大。
低拉曼閾值：基于該方法制備的拉曼光學器件展現出超低閾值（20-50 μJ/cm2），比現有主流拉曼激光器降低了4個數量級。
高信噪比和寬調諧范圍：拉曼激射信號呈現出超強的能量輸出，信噪比可以達到30分貝以上，并成功實現帶寬超過110 nm的級聯拉曼信號。
高信噪比：在2.0至3.1 mJ/cm2的泵浦通量下評估SpL(2)-1薄膜的信噪比，其一至三階STGI-SRS信號的信噪比范圍分別是-14.9-21.2 dB、0.3-30.9 dB、1.6-11.7 dB。
痕量爆炸物探測：拉曼光學器件在爆炸物檢測方面靈敏度驚人，在億分之一空氣濃度下，二硝基甲苯和三硝基甲苯的檢測靈敏度分別達到95%和80%以上。
圖文解讀
圖1STGI-SRS原理示意圖和所選擇的有機半導體增益特性
圖2級聯STGI-SRS光譜圖
圖3級聯STGI-SRS強度特征
圖4拉曼激射的光譜調諧特性
圖5 有機拉曼光學器件在爆炸物檢測中的應用
結論展望
這一突破性發現顛覆了非線性光學中“高能量換取高增益”的傳統理論認知，得到國際評審專家的高度認可，指出該研究“開辟了新的視角來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”。作者提出了拉曼激射新方法，顯著放大分子振動，成功在有機半導體材料中實現高效的多階拉曼激射。研究成果拓寬了有機半導體應用場景，開辟了有機半導體拉曼激光新方向，為有機半導體在拉曼激光等非線性光學領域的應用奠定了重要理論基礎。這一技術有望在可見光通訊、便攜式爆炸物實時檢測、可穿戴無創健康監測等領域得到應用。
原文詳情：
Jiang, et al Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors, Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9.
https://www.nature.com/articles/s41563-025-02196-9
