物理化学学报 | 郑州大学卢思宇教授团队综述：迈向实用的圆偏振发光：基于碳点的圆偏振激光器|偏振|光学|光谱|卢思宇|微腔|激光器|物理化学|郑州大学

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（来源：碳点之光）

主要亮点

本文系统地梳理和综述圆偏振激光材料、圆偏振激光类型以及圆偏振激光应用的研究现状与进展，并重点介绍碳点(Carbon dots, CDs)相对于其它增益介质的优点及CDs激光器件，并展望了CDs圆偏振激光在三维(3D)显示、光学计算与通讯、信息加密与安全及圆偏振传感与检测等方面的潜在应用以及所面临的挑战。期望能为相关领域的研究人员提供有价值的参考，并推动高性能圆偏振激光器件的实用化进程。

此综述是碳点功能材料专刊邀请稿，客座编辑：郑州大学碳点科学中心卢思宇教授

研究背景：意义、现状

圆偏振发光(CPL)在显示技术、生物成像和量子信息等前沿领域展现出广阔的应用前景。然而，基于传统自发辐射机制的CPL材料发展受到核心物理瓶颈的制约：其发光不对称因子(|g|值)普遍较低(10−5–10−2)，且g值与量子产率(QY)之间存在相互抑制关系。此外，自发辐射固有的方向性差、发射光谱宽等问题进一步导致器件亮度不足和能量利用效率低下。相比之下，采用受激辐射机制的圆偏振激光为突破上述限制提供了有效路径。激光所具备的高相干性和强方向性，结合手性增益介质，可实现g值的显著提升(理论上接近2)。这一增强源于受激辐射对CPL信号的相干放大效应，以及光学谐振腔中模式竞争对特定圆偏振态的选择性增强，从而实现高偏振纯度、窄线宽发射和高能量转换效率的协同优化。然而，当前多数手性激光介质仍面临制备工艺复杂、材料毒性高等问题，限制了其实用化进程。碳点(CDs)因其合成简便、成本低廉、低毒性和良好的生物相容性，同时兼具优异的光增益性能，成为解决现有瓶颈的理想候选材料，有望推动高性能圆偏振激光器向实用化与可持续方向发展。

核心内容

1. 圆偏振发光及材料

手性是物质与其镜像不可重合的性质，这种对称性破缺广泛存在于自然界。对手性发光材料而言，其核心圆偏振光学特性表现为圆二色性与圆偏振发光(图1a–c)，即激发态弛豫时发射出不等量的左、右旋圆偏振光。CPL材料体系丰富，涵盖本征手性分子、手性纳米材料以及通过自组装或手性传递实现偏振增强的材料(图1d–f)。Zhang等人通过两亲性均聚物组装获得g值达±0.1的二维圆偏振纳米片(图1g)；Berna等人利用轮烷大环实现了从机械平面手性到点手性的传递(图1h)。有机CPL材料是当前研究热点，然而基于自发辐射的体系普遍难以兼顾高g值与高QY，制约了其实际应用。

图1 圆偏振发光的概念与机制。(a) 圆偏振光的示意图；(b) 手性材料圆二色性吸收光谱的示例图；(c) 手性材料荧光光谱与CPL光谱的示例图；(d) 手性结构的示意图；(e) 圆偏振CDs的示意图；(f) 手性碳纳米点的示意图；(g) 手性自组装的示意图；(h) 从平面手性到点手性的手性传递示意图。

2. 圆偏振激光策略

2.1 圆偏振增益介质

荧光蛋白、有机染料、钙钛矿和量子点(QDs)等圆偏振激光增益介质各有特点，但也存在明显局限：荧光蛋白生物相容性好但光稳定性差(图2a)；有机染料光谱宽、增益高但性能调控有限(图2b,c)；钙钛矿光学性能优异却稳定性差且有毒性(图2d,e)；QDs能带可调、增益高但仍受限于稳定性、毒性及工艺瓶颈(图2f)。

相比之下，CDs具有来源广、制备易、毒性低等优势，其本征手性虽弱，但可通过手性修饰或掺杂等策略有效增强CPL性能。例如，Lu团队通过手性胺与酸酐的溶剂热反应，成功制备了用于多级防伪的圆偏振CDs (图2g)。得益于优异的光稳定性、化学稳定性和生物相容性，以及易于功能化的特点，CDs在手性结构调控方面展现出巨大潜力，是新一代圆偏振激光增益介质的理想候选者。

图2 圆偏振增益介质。(a) 荧光蛋白、其圆二色性光谱及激光阈值的示意图；(b) 二维圆偏振有机晶体实现圆偏振激光的机制示意图；(c) 激光染料@ZIF复合材料的合成过程及圆偏振受激辐射机制；(d) 手性凝胶中半导体纳米晶的共组装诱导手性示意图；(e) 手性CsPbBr3的手性起源示意图；(f) 通过分子自组装制备QD-BPLCEs的示意图；(g) 共轭聚合物CDs的合成及其浓度依赖性CPL示意图。

2.2 圆偏振激光器

圆偏振激光的实现依赖两个核心：手性增益介质与模式选择的谐振腔。目前主要有两类途径：(1) 手性谐振腔耦合非手性介质，利用腔的几何手性实现旋向选择性放大(图3a,b)；(2) 常规谐振腔结合手性增益介质，直接利用材料固有旋光特性产生圆偏振激光(图3c–f)。二者均通过增强光子-激子相互作用的旋向选择性，推动其在生物标记、量子通信与3D显示等领域的应用。

图3 圆偏振激光器。(a) 超表面手性激光器及其结构与激光光谱；(b) 基于手性荧光蛋白的垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers, VCSEL)；(c) 填充有机半导体的平面微腔器件示意图及激光发射过程；(d) 利用手性等离子体金纳米颗粒实现的高圆二色性随机激光器示意图；(e) 基于纤维素纳米晶体复合材料的圆偏振激光发射示意图；(f) 采用面内朝下排列的量子阱制备的手性VCSEL的表征，该量子阱夹在左旋胆甾相液晶(CLC)分布式布拉格反射镜(DBR)之间。

2.3 圆偏振激光的应用

2.3.1 光学计算与通讯

面对光通信容量瓶颈，圆偏振激光利用自旋角动量提供了新解决方案。Hong课题组开发的超表面的光子晶体表面发射激光器(PCSEL)，凭借无透镜小发散角设计与高效偏振转换能力，结合双通道输出，在将系统体积缩小60%的同时，保证了低串扰与低误码率(图4a)，充分证明了该技术的工程应用潜力。

2.3.2 信息加密与安全

圆偏振激光以高|g|值(0.8–1.0)、偏振态与强度/波长正交等特性，为信息安全提供了多维编码与高防伪的创新方案。目前主要发展路径包括：可实现偏振可逆切换的CLC材料(图4b)、飞秒激光直写的微型激光阵列，以及支持CPL动态编程的复合场调控智能材料(图4c)，共同推动物理加密与动态防伪技术的进步。

2.3.3 圆偏振传感与检测

圆偏振激光传感技术凭借其手性识别能力，可突破传统检测的灵敏度限制。Lyu团队基于非手性碲纳米片，通过近场模式激发实现了局域场不对称分布，并利用光电压极性直接识别入射光手性，在可见光波段获得高偏振辨别比(图4d)。这一策略具备宽谱拓展潜力，为发展新型圆偏振激光传感器提供了新思路。

2.3.4 3D显示

圆偏振激光凭借物理偏振态实现图像精准分离，为3D显示开辟了新路径。Zhao团队基于喷墨打印的CLC微腔阵列，实现了高偏振选择性(g值达1.6)、高色纯度与高光能利用率，并通过左右旋光的正交性有效降低了显示串扰(图4e–f)，展示了该技术的集成优势。

图4 圆偏振激光器的应用。(a) 利用超表面和PCSEL的光通信系统示意图；(b) 以波长可调谐圆偏振激光信号作为光子密码基元的多维信息加解密示意图；(c) 结合磁场辅助自组装与光图案化工艺的可编程CPL图案示意图；(d) 圆偏振光电子显微镜的工作原理示意图；(e) 基于圆偏振微激光器阵列的3D激光显示制备示意图；(f) 基于圆偏振微激光器阵列的3D激光显示示意图。

3. 碳点-新型圆偏振激光增益材料

CDs作为一种新兴碳基纳米材料，在光电子领域展现出巨大应用潜力。其主要优势包括：原料来源广泛、制备方法多样且简便、具备优异的生物相容性与低毒性，以及光学性能高度可调，是理想的增益介质候选材料(图5a)。在原料选择上，研究人员已成功利用多种前驱体合成高性能CDs，例如Sahu等人使用植物提取物制备多色发光CDs(图5b)，合成方法的创新不断推动CDs发展：Zhu等采用微波辅助法实现了464–556 nm可调发光CDs的快速制备(图5c)；Lu团队更通过室温搅拌空气氧化法实现了千克级全色CDs生产，大幅降低了成本(图5d)。CDs的发光特性可通过尺寸与表面态调控实现可见至近红外宽谱发射。Wu课题组通过酸试剂工程诱导尺寸梯度变化，观察到伴随粒径增大的发光红移现象，为量子尺寸效应提供了实验证据(图5e)。在功能化方面，Zhao团队利用苯二胺异构体制备的CDs具有显著溶剂与pH响应特性，其中间位衍生物在pH 2.5–11范围内呈现线性荧光响应，适用于微环境监测(图5f)；Pan等通过粒子内交联策略调控羧基交联程度，实现单一前驱体制备多色CDs，在多色标记与固态发光中优势明显(图5g)。这些优异的可修饰性与可调性为构建手性CDs基圆偏振激光器奠定了基础。此外，CDs的低毒性与生物相容性保障了其生物应用的可持续性，如Fan团队开发的叶酸修饰N掺杂CDs，在肿瘤细胞中实现选择性内吞与可控释放，展现出良好生物安全性(图5h)，为生物医学应用提供了重要支持。

图5 新型圆偏振激光增益材料CDs。(a) CDs常用的原料及制备方法；(b) 生物质衍生多色CDs的合成示意图；(c) 微波辅助制备多色CDs的示意图；(d) 全色CDs的规模化合成方案；(e) 可调控全色CDs的合成策略；(f) 依赖pH值与溶剂的可调控CDs合成示意图；(g) 通过修饰制备多色CDs的示意图；(h) CDs的生物毒性机制研究。

4. 碳点激光

将CDs的独特性能与激光技术相结合，为开发新型圆偏振激光器件提供了重要机遇。其可行性主要取决于CDs作为增益介质的能力及圆偏振特性的引入。目前CDs圆偏振激光的开发主要存在两种技术路径(图6)：

(1) 本征圆偏振CDs直接激光放大。该策略采用具有固有CPL特性的CDs作为增益介质，并通过光学谐振腔增强其圆偏振特性。关键在于材料需兼具高QY (>50%)与高g值(>0.01)，同时实现谐振腔模式与圆偏振发射谱的匹配。Pramanik研究团队通过有机前体(尿素与柠檬酸)的水热分解合成绿色CDs，并将其作为增益介质和TiO2纳米颗粒(作为散射体)相互作用实现了随机激光发射，可用作生物相容性低成本光源(图6a)。Ren团队使用间苯三酚为前体通过溶剂热合成具有61%的高QY深蓝色发光碳点(DB-CDs)，以DB-CDs为增益介质实现了固态随机激光发射，其激光阈值为40.5 kW cm−2 (图6b)。Qu等通过一步法空间限制交叉缩合方法，制备出了在水溶液中接近100%的QY的CDs，实现了光泵浦的绿色激光发射(图6c)。

(2) 圆偏振选择性谐振腔调控。此方法采用常规CDs作为增益介质，借助手性光学结构诱导产生圆偏振激光输出。例如，Yang团队利用聚合物钝化CDs在光纤表面构建回音壁模式(WGM)微腔，实现了高Q值深蓝激光(图6d)；Lu团队所开发的高性能红光CDs在平面微腔中表现出单纵模发射和优良的工作稳定性(图6e)。这些研究充分验证了CDs作为增益介质的潜力，通过与手性谐振结构结合，有望推动高性能、微型化圆偏振激光器件的进一步发展。

图6 基于CDs的激光器。(a) 溶液态基于CDs的随机激光器；(b) 固态基于CDs的随机激光器；(c) 基于CDs的法布里-珀罗腔激光器；(d) 基于CDs的WGM微腔激光器；(e) 基于CDs的DBR微腔激光器。

5. 碳点圆偏振激光挑战与展望

CDs作为新型圆偏振激光增益介质，兼具低成本、高QY、优异稳定性及多维可调谐性等优势。然而，其圆偏振性能不足及手性谐振腔的构建与优化仍是实用化的主要挑战。凭借低成本与生物相容性，该技术有望拓展至生物传感、细胞内监测、信息加密及防伪标签等领域(图7)。总体而言，CDs圆偏振激光虽处发展初期，但凭借显著的材料优势与应用潜力，有望通过持续创新从实验室走向实用，为光子学发展开辟新路径。

图7 CDs圆偏振激光器的应用前景。(a) 用于手势识别的力学传感器网络；(b) 信息存储与加密；(c) 单细胞激光器示意图；(d) 细胞激光器与肌原纤维组织的3D示意图；(e) 基于CDs的全色激光光谱及全息静态激光成像。

结论与展望

圆偏振激光凭借其高g因子、高亮度、窄线宽和强方向性等优势，有效克服了传统基于自发辐射的CPL在性能上的局限，为显示、传感及光电器件等多个领域的应用提供了有力支撑。本文系统综述了增益介质与圆偏振激光器的研究进展，指出当前仍面临激光阈值较高、转换效率有限、长期稳定性不足以及制造成本较高等关键挑战。未来研究应聚焦于新型高性能材料的开发，同时重视以CDs为代表的低成本、可溶液加工且具备良好生物兼容性的材料体系。通过多学科交叉融合，推动高性能、实用化圆偏振激光器件的研发，将是实现该领域持续创新与技术突破的核心路径。

参考文献及原文链接

历婷, 曾孝, 杨玉卓, 温新懿, 丁树荣, 石林林, 张永强, 卢思宇. 迈向实用的圆偏振发光：基于碳点的圆偏振激光器. 物理化学学报, 2026, 42, 100191. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100191

T. Li, X. Zeng, Y. Yang, X. Wen, S. Ding, L. Shi, Y. Zhang, S. Lu. Towards practical circularly polarized luminescence: carbon dots-based circularly polarized lasers. Acta Phys. -Chim. Sin. 2026, 42, 100191. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100191

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.1016/j.actphy.2025.100191

https://doi.org/10.1016/j.actphy.2025.100191

通讯作者

卢思宇教授

郑州大学教授、博士生导师，主要研究方向为用于发光与催化领域的碳化聚合物点合成。在Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Matter, Acc. Mater. Res.等学术期刊上发表SCI论文100余篇，被SCI引用20000余次(Google Scholar)，H因子为82。担任国家及河南省自然科学基金等项目评审专家; 兼任Chinese Chem Lett编委以及Sci. China Chem., Energy Environ. Mater, SmartMat, eScience, Rare Met., Nano Research Energy和《发光学报》等国际著名期刊青年编委; 入选2022年度全球高被引科学家(科睿唯安)、全球前2%顶尖科学家榜单 (World’s Top 2% Scientists 2022，斯坦福大学)。

张永强研究员

郑州大学直聘研究员、博士研究生导师，主要从事功能性荧光新型量子点、碳化聚合物点的合成、发光机理调控及其光电器件研究，在碳量子点的发光颜色、荧光量子产率的调控及多色发光机制、微纳米激光器件等领域取得了一系列创新性成果。河南省优秀青年科学基金获得者，主持国家级科研项目4项。相关科研成果发表在Adv. Mater.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem、Matter、Adv. Funt. Mater.等国际顶尖学术期刊。

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