微激光器在高度集成的光子器件和传感方面具有巨大的潜力，其微激光的光谱指纹对周围环境敏感，在监测和测量细胞或组织周围的变化方面具有很大的优势。微激光器的小型化是实现其生物医学应用的关键。然而，微激光器的小型化会导致腔体质量因子降低，激光阈值升高。此外，当将微激光器应用于散射介质(如细胞和组织)时，由于激发光和发射光的衰减，需要高泵浦功率来实现激光。高泵浦功率会增加生物样品的光损伤和热损伤。这些障碍限制了微激光器在致密区域和高散射介质领域的应用。镧系发光材料具有发射光谱窄、独特的光稳定性、较长的荧光寿命等特性。特别是镧系上转换纳米材料，具有近红外激发高穿透、低热损伤、背景干扰小的独特优势，被广泛用于微激光器的增益介质。这些微激光器在模拟生物环境中表现出良好的成像与传感性能，有望进一步应用于生物医学领域。

在本综述中，清华大学张洪杰院士/刘凯教授团队系统性地总结了镧系微激光器的研究进展，介绍了离子植入法、溶胶-凝胶法、熔融法、自组装法等镧系微激光器的常见制备方法，探究制备方法-微激光器结构-微激光器性能之间的关系，展示不断改进的制备工艺对镧系微激光器性能的提升。介绍了基质材料、增益介质材料、微谐振腔设计等因素对镧系微激光器性能和应用的影响，特别是镧系上转换纳米材料的理性设计对其发光性能的改进，赋予了微激光器单模可调、超大斯托克斯位移、近红外激光发射等独特性能，发挥了镧系发光材料的固有优势。镧系上转换材料具有宽广的发光范围，本综述分可见、紫外、近红外三个发光范围对近年来报道的上转换微激光器进行了总结。此外，本综述对不同类型微激光器的生物医学应用潜力、未来微激光器用于生物医学领域尚待解决的问题及未来发展的方向进行了总结和展望。

图6 镧系上转换等离子体微激光器

图7镧系上转换随机白光微激光器

刘凯，清华大学化学系教授，博士毕业于荷兰格罗宁根大学，并在哈佛大学从事博士后研究，主要研究方向为生物合成高端化学品及特种材料应用，尤其聚焦于高性能稀土生物合成系统及高技术应用。曾获荷兰NWO Rubicon Award、国家青年人才计划、中科院卢嘉锡国际团队、国家杰出青年科学基金、教育部创新团队支持等，并获首届中国化学会生命化学青年创新奖、中国稀土科学技术一等奖。发表论文150余篇，授权专利30余项。担任清华大学稀土新材料教育部工程研究中心常务副主任，项目首席科学家，教育部创新团队负责人，科技部重点专项指南编制专家，中国稀土学会理事，稀土材料化学与生物技术交叉专委会副主任委员，中国生物物理学会纳米生物学分会委员、中国工程院院刊Engineering客座编辑以及ACS Applied Bio Materials等期刊编委。

课题组主页：http://biomater.ciac.jl.cn.

Zhang Q, Liu Y, Liu K, et al. Lanthanide-based microlasers: synthesis, structures, and biomedical applications. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-5848-y.

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