有机半导体，因其独特的光电性能，尤其是在柔性化、大面积、低成本以及节能环保等方面的显著优势，被认为是引领信息科技的颠覆性创新技术、“未来柔性电子技术的核心材料”，已经在发光二极管、太阳能电池、晶体管和激光器等多个领域展现出广阔的应用前景。然而，现有的非线性光学技术通常需要巨大泵浦能量才能产生非线性光学效应。有机半导体自身光损伤风险较高，严重制约了其在非线性光学领域的应用。作为典型代表，受激拉曼散射因其特有的分子振动特征信号和灵活的光谱可调谐性，引领了拉曼激光器、相干拉曼散射显微成像、硅基集成光子学等前沿领域的发展。然而，分子振动产生的拉曼增益普遍较低，需要施加较高泵浦能量才能克服损耗并获取净光学增益。如何实现“低阈值、高增益”的拉曼激射，一直是全球科学家面临的难题。
针对该难题，南京邮电大学柔性电子全国重点实验室/化学与生命科学学院黄维院士、赖文勇教授团队与香港浸会大学谢国伟教授、新加坡国立大学刘小钢院士合作，在有机半导体非线性光学研究领域取得里程碑式进展。团队创新提出“光谱调谐增益诱导拉曼激射（STGI-SRS）”理论模型，揭示了分子振动与受激辐射共振匹配的核心机制，首次成功在有机半导体材料中实现拉曼信号的指数级放大和高效多阶拉曼激射，而且无需依赖复杂的光学微腔结构。该研究突破了传统非线性光学理论中“分子振动增益弱、依赖高能量泵浦”的瓶颈，为拓展有机半导体在拉曼激光等非线性光学领域的应用奠定了理论基础，更为发展柔性拉曼激光器、实现高精度传感检测等提供新思路新方法。
研究成果近期以“Giant nonlinear Raman responses from organic semiconductors”为题发表在国际顶级学术期刊Nature Materials（《自然·材料》；DOI: 10.1038/s41563-025-02196-9）。柔性电子全国重点实验室/化学与生命科学学院黄维院士、赖文勇教授、香港浸会大学谢国伟教授和新加坡国立大学刘小钢院士为论文的共同通讯作者，南京邮电大学柔性电子全国重点实验室/化学与生命科学学院江翼教授、硕士研究生林赫和潘劲强为论文共同第一作者。英国圣安德鲁斯大学Ifor Samuel教授为结果数据分析和论文提升提供了大量帮助和建议。
研究团队从量子光学与分子振动的协同耦合机制出发，提出受激辐射与拉曼散射共振匹配理论，发展了“光谱调谐增益诱导拉曼激射”新方法，成功实现拉曼信号的指数级放大（图1a和b）。研究团队选择了三个材料作为增益介质，分别为商业化材料PFO和两个梯形分子SpL(2)-1和SpL-1，其都表现出比较低的放大自发辐射（ASE）阈值，分别为8.8 μJ/cm2，5.6 μJ/cm2 和4.2 μJ/cm2（图1c-e）。三个材料的光学增益分别为50.3 cm-1，131.6 cm-1和148.7 cm-1，其中SpL(2)-1和SpL-1的光学增益普遍优于常见的有机半导体材料。
图1 STGI-SRS原理示意图和所选择的有机半导体增益特性
作者随后对拉曼信号进行表征。SpL(2)-1薄膜的拉曼光谱如图2a所示，其拉曼信号标记为S00(n) (n = 0 - 5)。作者分别选择420 nm、425 nm、444 nm、452 nm和456 nm作为泵浦波长，受激拉曼光谱表现出一阶至三阶等多个STGI-SRS信号（图2b）。这些STGI-SRS的振动模式（Δω）与拉曼信号S00(n)相一致（图2c）。
图2级联STGI-SRS光谱图
作者进一步选取450 nm激光光源作为泵浦光源，阐述SpL(2)-1薄膜中的多重拉曼激射过程。如图3a所示，发射光谱的强度随着泵浦通量的增加而增加，半峰宽随着泵浦通量的增加而变窄，表明了发光从自发发射向ASE与STGI-SRS的转变。采用双劳伦兹曲线对发光光谱进行拟合，拆分得到ASE和一阶STGI-SRS信号（图3b）。SpL(2)-1薄膜的ASE阈值为45.6 μJ/cm2 ，一至三阶STGI-SRS阈值分别为47.8 μJ/cm2、87.6 μJ/cm2、572 μJ/cm2（图3c,d）。随着泵浦能量的增加，STGI-SRS的信噪比都在逐渐提高；其中没有ASE信号的干扰，二阶STGI-SRS的信噪比可以达到30 dB以上（图3e-g）。
图3级联STGI-SRS强度特征
STGI-SRS的波长会随着泵浦波长的变化而变化，而这个过程中材料的吸光度会随之发生变化（图4a）。以2 nm为调节单元将泵浦波长从440 nm调节到464 nm，可以在~28 nm（473.2-501.2 nm）的光谱窗口内获得一阶STGI-SRS，与ASE区域吻合。进一步在512.2-539.3 nm以及557.8-583.7 nm的光谱窗口获得二阶与三阶STGI-SRS（图4b）。泵浦波长从最大吸收峰（440 nm）向吸收边缘（464 nm）移动过程中，由于吸收系数的降低，ASE阈值显著增加。相比之下，一阶至三阶斯托克斯位移的STGI-SRS阈值相较于吸收系数则表现出特定的拟合曲线，这主要归因于实现了辐射跃迁和拉曼跃迁之间的平衡。结果表明，一阶STGI-SRS与ASE峰对准匹配时，泵浦波长处的最佳吸收系数在0.8-1.4 × 105 cm-1的范围内（图4c）。一阶至三阶STGI-SRS信号的信噪比范围分别是-14.9-21.2 dB、0.3-30.9 dB、1.6-11.7 dB（图4d）。
图4拉曼激射的光谱调谐特性
拉曼光学器件在爆炸物检测方面灵敏度惊人，如图5a和b所示，暴露在二硝基甲苯和三硝基甲苯亿分之一空气浓度蒸汽条件下5分钟后，ASE与一至二阶STGI-SRS信号的阈值显著增高，三阶STGI-SRS信号甚至无法探测到。STGI-SRS强度亦发生明显变化，经计算二硝基甲苯和三硝基甲苯的检测灵敏度分别达到95%和80%以上，一阶与二阶STGI-SRS的检测灵敏度显著高于ASE（图5c-e）。
图5 有机拉曼光学器件在爆炸物检测中的应用
这一突破性发现颠覆了非线性光学中“高能量换取高增益”的传统理论认知，得到国际评审专家的高度认可，指出该研究“开辟了新的视角来完美解决拉曼增益不足这一世界性难题，有望重塑拉曼激射研究方向，并广泛拓展于不同材料体系中”。作者提出了拉曼激射新方法，显著放大分子振动，成功在有机半导体材料中实现高效的多阶拉曼激射。研究成果拓宽了有机半导体应用场景，开辟了有机半导体拉曼激光新方向，为有机半导体在拉曼激光等非线性光学领域的应用奠定了重要理论基础。这一技术有望在可见光通讯、便携式爆炸物实时检测、可穿戴无创健康监测等领域得到应用。
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41563-025-02196-9
