【研究成果】物理学院特聘副研究员段瑞在《Science Advances》发表液体激光创新性研究成果

2026年9月23日，国际学术期刊《Science Advances》在线发表了题为“Self-organized optofluidic locking enables stable single-frequency lasing in dynamic liquid media”的研究成果。学院段瑞特聘副研究员作为论文第一作者，联合澳门大学、天津大学及伦敦大学学院等科研团队，创新性提出自组织光流体锁定（optofluidic locking）机制，将原本制约液体激光稳定性的流体涨落转化为稳定激光输出的内在调控机制，实现了高稳定、高光谱纯度、宽波长可调谐的单频液体激光。

液体激光具有增益带宽、波长调谐范围大、增益介质可灵活设计以及散热性能良好等优势，在可调谐光源、精密光谱、量子光学等领域具有重要应用潜力。然而，液体中的活性粒子始终受到布朗运动、热输运及局域折射率涨落的影响，容易引起腔内光程和纵模频率持续波动，导致模式漂移、线宽展宽及输出功率不稳定。因此，如何在动态液体环境中获得高光谱纯度和长期稳定的单频激光，一直是液体激光发展面临的重要挑战。

针对这一难题，研究团队没有采用传统方法简单抑制液体介质的动态行为，而是提出利用动态特性实现“自稳定”的新机制。团队以具有显著结构各向异性的胶体半导体纳米片（CNPs）为增益介质，引入弱连续光作为辅助调控光场。在光梯度力、散射力以及热诱导对流等多物理过程共同作用下，纳米片发生集体迁移、取向和局域富集，并在光场作用区域形成动态维持的有序增益分布，从而主动重塑液体中的增益环境，降低折射率和腔场涨落，将原本造成失稳的流体运动转变为维持激光稳定输出的重要机制。

自组织光流体锁定液体激光的设计原理及代表性应用

在此基础上，团队构建了基于改进型Littman结构的外腔液体激光系统。实验结果显示，开启光流体锁定后，激光输出强度涨落由超过12%显著降低至约0.6%，并可保持连续6小时稳定工作；最小Allan方差由9.67×10⁻⁵降低至1.14×10⁻⁷，稳定性提高近三个数量级。同时，激光阈值由26.3 mJ/cm²降低至6.4 mJ/cm²，下降超过75%。此外，系统实现了超过31 dB的边模抑制比、0.051 nm的单频线宽和超过12500的品质因子。通过不同纳米片增益体系，单频激光覆盖范围可由约500 nm拓展至672 nm，总跨度超过170 nm；单一CdSe/CdSeS/CdZnS纳米片增益体系还实现了约50.3 nm的连续波长调谐。

光流体锁定机制及其对液体激光稳定性和阈值的调控

为进一步验证应用潜力，团队将液体激光通过级联放大提升至约4.5 mW，并成功用于激发单层WS₂光致发光；进一步将其作为泵浦光源驱动拓扑垂直腔激光器，实现636.1—666.8 nm范围内、跨度30.7 nm的连续波长调谐。相关结果表明，该平台不仅具有稳定、窄线宽和宽调谐等优异光源性能，还可作为先进光子和光电子器件的可调谐泵浦源。

该研究突破了传统思路中将液体介质涨落单纯视作激光不稳定因素的认识，通过光场、纳米材料和流体动力学之间的协同作用，将动态涨落转化为主动稳定机制，为动态软物质体系中的相干光调控提供了新的物理机制，并为未来微流控激光器、片上可调谐光源以及量子光子学、精密光谱、气体传感、生物成像等领域提供了新的发展路径。

四川大学物理学院为论文第一署名单位，段瑞特聘副研究员为论文第一作者，齐建起教授为共同通讯作者。共同通讯作者还包括伦敦大学学院刘会赟教授以及澳门大学孙汉东教授。该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、四川省科技计划，以及澳门大学和澳门特别行政区科学技术发展基金等项目支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aei3045