综述：面向资源型城市水-能源-粮食纽带关系管理的集成建模方法：以中国大庆市为例

《Water》：An Integrated Modeling Approach for Managing the Water–Energy–Food Nexus in Resource-Based Cities: A Case Study of Daqing, China Chuanlei Wen, Hengtian Li, Min Han, Hongbing Zhao, Lifeng Chen, Qiufeng Guo, Yan Lyu, Yuan Xiu, Yuangeng Cheng and Yalu Han

　　

微激光器是近年来备受关注的一类创新光子学器件，其具备紧凑性、宽光谱发射和低激射阈值等独特特性，这些优势使其在生物光子学领域具有重要应用价值，能够在与生物材料相互作用时不造成损伤，尤其适用于光学生物传感场景。当前微激光器中常用的增益介质包括有机染料、稀土离子、荧光蛋白以及量子点、钙钛矿等半导体材料，同时多样化的光学谐振腔与新型激光构型进一步提升了微激光器的适用性。近期，基于新型算法、机器学习和神经网络的数字传感方法与微激光系统集成，显著提高了检测精度并拓展了应用场景。本文系统综述了微激光器的最新研究进展，涵盖增益介质、微腔类型及其在生物光子学中的应用，包括传统光谱传感和面向生物医学领域的新型数字方法。

1. 1.
   引言
   激光即受激辐射光放大，是一种具有高方向性、单色性和相干性的放大光束。高方向性使其传播时发散度极低，光斑尺寸通常处于微米量级；单色性表现为极窄的发射线宽，可见光波段下对应特定颜色输出；相干性则源于所有光波的相位一致，带来高亮度特征，因此激光成为高精度、高分辨率应用的独特工具。激光技术已广泛应用于光通信、先进制造、生物学和医学等领域，在生物医学场景中，其被用于手术、荧光显微成像、光动力治疗和流式细胞术等方向。但现有主流设备多为体积大、能耗高的宏激光器，近年来微激光器因小尺寸和低激射阈值的优势，成为微尺度生物传感的重要研究方向。微激光器的结构与常规激光器一致，包含增益介质、光学谐振腔和泵浦源三类核心组件。目前研究的增益介质涵盖有机染料、稀土离子、钙钛矿和量子点等半导体材料；光学谐振腔除传统法布里-珀罗(Fabry–Perot, FP)腔外，还包括回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)微球、光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Gratings, FBGs)等微谐振结构。微激光器的品质因数(Q因子)可超过10³，直接影响发射线宽，利于光谱传感实现；其激射阈值可低于140 kW/cm²，低功率特性可避免对生物体的光损伤。已有综述多聚焦于2018—2021年的微激光器生物传感研究，未覆盖近年新型增益材料、微腔结构、传感技术及机器学习驱动的数字传感方向，本文系统梳理该领域最新进展，为后续研究提供参考。
2. 2.
   增益介质
   增益介质是决定微激光器性能的核心要素，目前研究涵盖有机染料、稀土离子、半导体及新兴二维材料等方向，不同材料的波长可调性和环境稳定性适配多样化生物光子学需求。
   2.1 染料
   染料激光器的增益介质可为溶液、固体或蒸汽态，微流控体系中通常采用低浓度活性染料与醇类等溶剂的混合体系，发射波段覆盖紫外、可见到红外区域，具备高调谐性，但光漂白效应会限制输出功率，脉冲工作模式可提升峰值功率。该类激光器可用于物理化学分析光谱学、分子激光冷却和光动力治疗等场景。传统若丹明、叶绿素等染料已被集成于微晶体、微流控芯片和光纤结构中，典型代表为光纤微流控激光器(Fiber Optofluidic Laser, FOFL)，其结合了光纤的优异热分布、抗电磁干扰特性与流体增益介质的宽谱优势，可通过空心光纤内增益介质的荧光变化实现血红蛋白浓度检测，微米级尺寸便于集成至光通信传感网络。此外，荧光染料可与细胞结合构建细胞激光器，相比荧光传感器具备更高光谱分辨率；固态染料激光器则将染料掺杂于聚合物或复合材料基质中，通过微晶结构调控可实现红、绿、蓝三色可见光发射，适配不同生物组织的光学交互需求。
   2.2 稀土离子
   稀土离子通过三价镧系离子的能级跃迁实现粒子数反转，是高效增益介质，通常需要钇铝石榴石(Yttrium Aluminum Garnet, YAG)晶体或光纤作为宿主基质。其具备高稳定性、宽发射范围和低成本制备的优势，可通过光聚合等方法制备稀土掺杂二氧化硅微球，实现近红外波段激射；基于上转换机制的多稀土共掺微球可产生红、绿、蓝三色发射，实现白光激射，该过程通过吸收多个低能光子释放单个高能光子实现，依赖稀土离子的多重亚稳态能级。目前常用的稀土增益介质包括Yb、Tm、Lu、Gd、Ce和Er，光学泵浦多采用商用980 nm激光二极管，发射覆盖紫外、可见和近红外区域，在生物成像、诊断和治疗领域具备成熟应用潜力。
   2.3 半导体
   传统半导体激光器基于p-n结结构，采用Ⅲ-Ⅴ族直接带隙半导体材料，具备宽波段发射、高光电转换效率和小型化优势。氮化镓(GaN)基微盘阵列可实现可见光波段宽调谐和高Q因子输出；硫化镉(CdS)纳米线生物激光器可用于单细胞运动监测，实现视网膜细胞活体观测。卤化物钙钛矿和量子点是近年研究热点：钙钛矿材料具备ABX₃型立方结构，通过卤素取代可调控带隙，实现可见光波段可调发射，CsPbBr₃等钙钛矿微腔通过连续域束缚态(Bound State in the Continuum, BIC)效应可实现高达1.04×10⁵的Q因子；胶体量子点因量子限域效应具备可调带隙，CdSe/ZnS等微球结构可降低荧光猝灭效应，提升高温光学稳定性，AgInS₂/ZnS等低毒水溶性量子点、碳量子点均适用于生物传感场景，InP量子点微盘结构可实现连续波模式下500 nW的低激射阈值，适配片上光子学生物传感器集成需求。
3. 3.
   光学微腔
   光学谐振腔决定微激光器的输出特性，除传统FP腔外，WGM微腔、随机腔等非传统结构已成为研究重点。
   3.1 回音壁模式微腔
   WGM效应源于电磁波在球形、环形或盘形腔表面的低损耗约束传输，典型结构包括微球、微环、微盘和微气泡。暴露芯光纤WGM耦合方案可实现微球的高反射光调谐，适用于分布式生物传感；柔性光纤阵列可调控WGM光纤微腔的脉冲发射特性；GaN蘑菇型微盘WGM激光器可实现410~425 nm紫光多模发射，匹配血红蛋白的光吸收峰，适用于生物标志物检测；微气泡WGM腔可集成于微流控芯片，兼具高Q因子、小尺寸和低阈值的优势。
   3.2 法布里-珀罗微腔
   FP微