近日，数理学院吕浩副教授科研团队在绿色生物光子学领域取得重要进展。相关研究成果以Rhodamine 6G laser dye with dandelion seed pappus biogenic scatterers for low-threshold random lasing and speckle-free imaging为题，发表于染料与光子材料领域国际权威期刊Dyes and Pigments（中科院一区，影响因子3.9）。青岛科技大学为论文第一完成单位，数理学院本科生范朝昕、李志豪以及研究生胡嘉涛为共同第一作者，吕浩副教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、国家级大学生创新创业训练计划项目的资助与支持。
随机激光器是一类无需传统光学谐振腔的新型相干光源，依靠无序增益介质中的多重光子散射实现光反馈与受激辐射，具有结构简单、易于集成、空间相干性低等独特优势，在生物传感、环境监测、高分辨率成像等领域具有广阔应用前景。但传统随机激光体系多依赖人工合成的无机纳米颗粒作为散射体，存在制备能耗高、环境友好性不足、成本较高等局限。如何依托绿色、易得的散射介质实现低阈值、高稳定的相干随机激光输出，是该领域亟待突破的关键问题。
针对这一挑战，团队创新性地将天然植物废弃物蒲公英种子冠毛（DSP）开发为生物散射介质，搭配罗丹明6G激光染料与聚乙烯吡咯烷酮分散剂，在乙醇体系中构筑了三维无序光子散射网络。经过清洗、烘干、研磨处理后的蒲公英冠毛形成不规则片状微纳碎片，其天然演化的多尺度粗糙结构可提供高效的多重光散射与分布式光反馈。
系统实验测试表明，当DSP浓度为2 mg/mL时，随机激光系统性能达到最优：激射阈值低至5.81 μJ/mm²（对应单脉冲能量8.95 μJ），发射半高宽窄化至约1.1 nm；在1500次脉冲连续激发下，激射波长无明显漂移，光谱形态保持稳定，展现出优异的运行可靠性。
RL发射测量实验装置示意图
2 mg/mL 浓度下随机激光发射光谱及阈值演化特性
为从物理层面揭示生物质散射体系的激射机制，团队结合强度傅里叶变换（PFT）与复本对称破缺（RSB）理论开展了定量分析。PFT 结果显示，最优浓度下系统的有效谐振腔长为191.20 μm，对应最强的光局域效应与最短的光子反馈回路，直接印证了多重散射效率与激射阈值的内在关联；RSB统计分析则清晰观测到系统从放大自发辐射到相干随机激光的相变过程：远高于阈值时Parisi 重叠参数q可达0.97，概率分布呈现典型的U型双峰结构，验证了系统从光子顺磁态进入到自旋玻璃态，为生物质随机激光的相干性调控提供了扎实的统计物理依据。
不同泵浦能量下的复本对称破缺演化规律
依托随机激光本征的低空间相干性，团队进一步将该体系拓展至无散斑成像应用。实验结果表明，与传统相干激光相比，该蒲公英冠毛基随机激光照明可将成像信噪比从8.25 dB提升至33.09 dB（提升幅度301%），散斑对比度从0.446 降至0.0512（降低幅度86%）。在分辨率靶标、蜻蜓翅膀生物样本、微电子芯片等多种成像场景中，该光源均实现了高保真、低噪声的成像效果，为生物医学成像、光学无损检测等领域提供了一种绿色、低成本的新型照明方案。
随机激光无散斑成像性能对比
该成果是团队在绿色生物光子学方向的又一重要探索，贯通了材料设计、物理机制解析与功能拓展的完整研究链条，不仅为低阈值随机激光的绿色制备开辟了新路径，也有力彰显了科研导师制在本科生创新能力培养中的关键作用。依托导师制，本科生得以深度融入高水平课题，从文献调研、实验设计到数据分析全程参与，实现了科研素养的系统性提升。该工作同时为我校物理学及相关学科的ESI建设与高质量发展提供了有效支撑。
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