近日，西北工業大學柔性電子研究院、柔性電子全國重點實驗室黃維院士團隊與新加坡國立大學、香港浸會大學等單位合作，在有機半導體非線性光學研究領域取得里程碑式進展。團隊創新性地提出“光譜調諧增益誘導拉曼激射”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，首次成功地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新技術。相關研究以“Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors”為題在線發表于國際頂尖學術期刊《自然·材料》（Nature Materials, 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9）。
有機半導體因其獨特的分子結構和光電特性，被視為下一代柔性電子技術的核心材料，在柔性顯示、柔性光伏等領域廣泛應用。然而，其非線性光學效應需依賴極高能量激發，導致材料易被強光損傷，長期制約其在非線性光學領域的應用。拉曼散射是一種基于分子振動產生光學增益的非線性光學技術，因其特有的分子振動特征信號和靈活的光譜可調諧性，在爆炸物檢測、生物成像、光通訊等領域具有重要應用。傳統拉曼激射技術依賴高能量泵浦光源以克服分子振動損耗，導致設備繁雜、成本高昂。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世界性難題。
受激輻射與拉曼散射共振匹配
針對這一難題，團隊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，創制了“光譜調諧增益誘導拉曼激射”新方法，成功地實現了拉曼信號的指數級放大。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。拉曼激射信號呈現出超強的能量輸出，信噪比達到30分貝以上，并成功地實現了帶寬超過110 nm的級聯拉曼信號。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。
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，得到國際同行專家的高度認可，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”。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，也標志著我國在柔性電子與光子學領域的國際引領地位。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。
柔性電子全國重點實驗室黃維院士、賴文勇教授，新加坡國立大學劉小鋼院士和香港浸會大學謝國偉教授為論文的共同通訊作者；柔性電子全國重點實驗室江翼教授、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教授為本工作提供了很有價值的意見和建議。相關研究得到國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金委重點項目等資助。
級聯拉曼激射的光譜調諧特性
級聯拉曼激射光譜圖
原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02196-9
