有機(jī)固體激光器因其制備簡單,價格低廉和易于集成等優(yōu)勢,一直以來備受科研工作者的關(guān)注。與無機(jī)激光介質(zhì)相比, 有機(jī)激光材料來源廣泛, 并且具有發(fā)射光譜寬、受激發(fā)射截面積大等特性,近年來在激光顯示、生物傳感器等應(yīng)用方面顯示出很大的應(yīng)用前景。在國家自然科學(xué)基金委、科技部和中國科學(xué)院的支持下,化學(xué)所分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究人員近期在設(shè)計有機(jī)共軛小分子近紅外發(fā)光材料的基礎(chǔ)上,發(fā)展了有機(jī)固體微納近紅外激光器。
傳統(tǒng)無機(jī)半導(dǎo)體垂直腔面發(fā)射激光器(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser, VCSEL)由上下兩層反射腔鏡以及夾在中間的活性層材料組成,需要復(fù)雜的工藝流程和昂貴的成本。相比較而言,有機(jī)半導(dǎo)體材料可以通過低溫溶液加工工藝進(jìn)行激光器諧振腔的構(gòu)筑。科研人員從1,4-二芳乙烯基苯(DSB)入手,利用溶液自組裝的方法制備了六邊形微米盤單晶。利用這種微米片狀結(jié)構(gòu)所形成的回音壁模式(Whisper Gallery Mode)的光學(xué)微腔,通過調(diào)控微米片的尺寸,分別實(shí)現(xiàn)了單模和多模的激光發(fā)射 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5863);進(jìn)一步基于有機(jī)分子的可裁剪性,系統(tǒng)研究并揭示了分子結(jié)構(gòu)—微納諧振腔—激光性能三者之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)規(guī)律,為高性能有機(jī)固體激光器提供了新的設(shè)計思路 (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16602);與此同時科研人員把材料體系拓展到有機(jī)無機(jī)雜化鈣鈦礦材料,實(shí)現(xiàn)了綠光波段的激光發(fā)射 (Adv. Mater. 2015, 27, 22)。
圖1 北京天壇(回音壁)和有機(jī)六邊形微米盤中光波的回音壁現(xiàn)象
最近,研究人員通過把“分子內(nèi)氫鍵”引入有機(jī)共軛小分子的策略,合成了固體發(fā)光量子效率高達(dá)15.2%的近紅外發(fā)光材料?查耳酮衍生物DPHP。由于DPHP的雙親性質(zhì),用溶液自組裝方法自下而上構(gòu)筑了有機(jī)微米半球的回音壁諧振腔。與此同時,DPHP材料自身超快的輻射速率,避免了在高強(qiáng)度泵浦光下的激子-激子湮滅現(xiàn)象,使得DPHP材料發(fā)出的近紅外熒光在回音壁腔中實(shí)現(xiàn)了光的受激發(fā)大,這也是基于非摻雜型有機(jī)固體近紅外激光的首例報道(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI:10.1021/jacs.5b03051)。文章在線發(fā)表后,美國《化學(xué)與工程新聞》(C&EN)周刊網(wǎng)站,以題為“Organic Lasers Shine Bright in the Infrared”對此工作進(jìn)行了相關(guān)報道并且給予了高度評價:“Easy-to-build hemispheres could prove widely useful for lasing applications”。http://cen.acs.org/articles/93/web/2015/07/Organic-Lasers-Shine-Bright-Infrared.html
圖2 有機(jī)固體近紅外激光器示意圖
分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
2015年8月10日