江雷院士、王京霞研究员团队在蓝相液晶光子晶体多模式激光器方面取得新进展

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蓝相液晶是一种性能优异的光子晶体，具有高反射率，窄带隙，高度有序的立方晶格和相形成无需取向层等优势，在新型光子器件的制备领域展现出很大的潜力。然而，到目前为止，蓝相液晶在激光器应用方面，绝大多数研究成果都集中在高能带边或低能带边的单模激光或随机激光。在蓝相液晶中，同时在多个不同波长出现单模激光峰的多波长激光器还未实现，多波长激光的机理尚不清楚。
　　近日，中科院理化所仿生智能界面科学中心江雷院士、王京霞研究员团队利用窄带隙蓝相液晶禁带附近的谐振模式，在染料掺杂蓝相液晶(C6-BPLC)谐振腔中实现面发射一至四波长激光激射。通过调节蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量，可以控制激光峰值的数量和中心波长位置。对于单波长激光，本研究实现了超窄线宽激光峰，线宽为0.04 nm (Q因子为13454)。双波长激光可在自支撑多畴/单畴C6-BPLC薄膜中实现，激光峰值中心位置可从512.5 nm变化到559.1 nm。三波长和四波长激光的实现则需要满足以下条件: (i) 需要合适的λc (≥523.8 nm)，从而使C6-BPLC薄膜在禁带附近有四种荧光谐振本征模式。当λc ≤523.8 nm时，高能量和低能带边的两种荧光共振本征模相互重叠，无法有效区分。(ii) C6-BPLC薄膜应保存在液晶盒中，避免自支撑薄膜弯曲、扭转和拉伸导致的晶格变形。(iii) λc应小于543.2 nm，保证至少有三种共振模式可被C6荧光峰覆盖以获得足够增益。(iv)需要染料分子在液晶体系中中具有低的有序度参数，以保证高能带边和低能带边阈值接近。(v)泵浦光的功率密度应强到足以使三个或四个谐振模式有足够增益产生激光。
　　相关研究结果以 Single-, Dual-, Triple, and Quad-wavelength  Surface-emitting Lasing in Blue Phase Liquid Crystal为题发表在Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.202108330）。该文章通讯作者为中国科学院理化技术研究所王京霞研究员和金峰高级工程师。第一作者为中国科学院理化技术研究所研究生刘捷。中国科学院理化技术研究所江雷院士和日本中央大学Tomiki Ikeda教授为本研究提供了专业的指导和帮助。
　　这项工作实现了在蓝相液晶中一到四波长激光器的可控制备，并系统研究了蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量对多波长激光器制备的影响。使用时域有限差分计算方法，证明了多波长激光实现的机理，即利用了窄带隙蓝相液晶禁带附近的谐振模式。这些研究成果将促进面发射多波长激光器的制备，并为基于蓝相液晶的新型光子器件的设计和构筑提供更多可能性。
　　 该研究得到国家自然基金项目（51873221，52073292，51673207，51373183），国家重大研究计划项目（2017YFA0204504）与中国科学院荷兰研究项目（1A111KYSB20190072）的支持。

　　图1.  C6掺杂自支撑多畴BPI薄膜的制备方法、光学性质、显微结构和激光性质。

(A)染料掺杂自支撑BPI薄膜制备工艺示意图。(A1) 将液晶混合物装入液晶盒中。(A2)将液晶盒置于热台上，以0.05 ℃/min的速率从各向同性相缓慢冷却至BPI。(A3) 液晶盒内的BPI被365 nm紫外光照射80 s，以稳定纹理。(A4) 从液晶盒中取出聚合物稳定的自支撑BPI膜。(A5) 自支撑C6-BPLC薄膜的激光测试。(B)聚合后的染料掺杂多畴BPI的偏光显微镜(POM)图像。(B)中的插图显示了从POM图像中红色虚线圈出的区域测量得到的相应反射谱。(C) 微观结构的透射电子显微镜(TEM)照片，a表示晶格常数。(D) 通过λc的相对位置调控置于液晶盒中C6-BPLC薄膜的单波长、双波长、三波长和四波长激射行为。根据同时可以观察到的激光数量将相图划分为四个区域(I.单波长，II.双波长区，III. 三波长区，IV. 四波长区)。蓝色的圆圈和红色的三角形代表高能带边和地能带边激光峰的中心波长。所有发射光谱的泵浦能量设置为激光阈值(P=3Pth)的3倍。此处使用的C6-BPLC薄膜是在光聚合后保持在液晶盒中，以避免自支撑薄膜剥离过程引起的晶格变形。
　　全文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202108330


      


        文章来源：理化所
      江雷，中科院院士，中国科学院理化研究所研究员。自1999年回国以来，一直从事具有特殊浸润性的仿生多尺度界面材料的研究工作。撰写专著2部，发表SCI论文400余篇，其中IF > 6的186篇，被SCI引用18500余次，H因子为66，论文13次作为 Highlight 在 Science、Nature 及其系列杂志报道，30余次被选作杂志的封面。重要论文包括：Nature（2篇），Nat. Mater. (1篇)，Nat. Nanotechnol.（1篇），Nat. Comm. (1篇)，Chem. Soc. Rev. （4篇），Acc. Chem. Res.（3篇），Angew. Chem.（22篇），Adv. Mater.（54篇）, J. Am. Chem. Soc.（19篇），Adv. Func. Mater.（19篇），已授权专利50余项。
       王京霞，女，1971年6月生，工学博士。现为中科院理化技术研究所研究员。1990－1997 年在青岛科技大学高分子材料系攻读学士和硕士学位，1997－2000年在青岛帝科精细化学有限公司做科研工作；2000.9－2004.1 在清华大学高分子研究所攻读博士学位。2004年1月毕业于清华大学化工系高分子所，获材料学专业博士学位, 师从刘德山教授。博士论文题目：丙烯酸系自着色乳液的合成、共聚合反应和光色牢度研究。2004年2月－2006年7月在中国科学院化学研究所有机固体实验室功能界面组作博士后，合作导师为江雷研究员、宋延林研究员，期间发展了一种制备大面积聚合物光子晶体膜的简单快速的方法，实现了高强度、浸润性可调控光子晶体膜的制备。2006年7月，博士后出站并留在中科院化学所新材料实验室宋延林研究员课题组工作，2006年12月聘为副研究员。