研究發(fā)現(xiàn)，有機材料在發(fā)光效率、柔性、加工性等方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。有機分子種類豐富，結(jié)構(gòu)可設(shè)計，性能可剪裁，在材料選擇方面有很大的靈活性，同時有機材料一般具有較大的光吸收和光輻射截面，利用有機材料易摻雜的特性，可以實現(xiàn)全波段連續(xù)可調(diào)的受激發(fā)射，解決目前紫外和紅外波段激光材料短缺的問題。更為關(guān)鍵的是，有機激光產(chǎn)生的過程中涉及全新的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與受激發(fā)射機理。
在最近的研究中，研究人員選擇了具有激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移(ESIPT)過程的典型四能級分子體系，通過液相組裝，可控制備了高質(zhì)量的一維單晶結(jié)構(gòu)法布里-珀羅模式諧振腔。在這類單晶納米材料中，基態(tài)分子以烯醇式(E)存在，通過分子間氫鍵結(jié)合變得更加穩(wěn)定。當(dāng)分子被激發(fā)后，由于分子內(nèi)電荷的重新分布，質(zhì)子給體的酸性增加，質(zhì)子受體的堿性增加，進而在皮秒量級時間內(nèi)引起分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移，其結(jié)果是激發(fā)態(tài)分子主要以酮式形式(K)存在。激發(fā)態(tài)的K結(jié)構(gòu)可通過有效的熒光輻射衰變回基態(tài)的E結(jié)構(gòu)，這樣，ESIPT過程就可以形成一個完整的四能級體系。其中E結(jié)構(gòu)和K結(jié)構(gòu)具有截然不同的分子構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致光吸收和發(fā)射之間形成很大的斯托克斯位移，從而有效抑制了增益過程中的自吸收損耗，有利于構(gòu)建低閾值的微納激光器。在此基礎(chǔ)上，通過外界作用，進一步調(diào)控酮式結(jié)構(gòu)的激發(fā)態(tài)能級，實現(xiàn)了波長可切換的有機微納激光(圖1)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《德國應(yīng)用化學(xué)》。
進一步，研究人員選擇具有分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移(ICT)特性的化合物作為增益材料來構(gòu)筑有機微納激光。這類化合物具有兩個上能級，而且能級結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)過程對不同的環(huán)境有特定的響應(yīng)。首先通過超分子限域體系設(shè)計，實現(xiàn)了兩個上能級布居數(shù)的控制。進一步通過穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)光譜分析，提出了基于兩個上能態(tài)協(xié)同增益的全新的激光產(chǎn)生機制，這種機制提供了一種通過控制兩個上能態(tài)間的粒子數(shù)分布來調(diào)控增益區(qū)間的新思路?；诖耍ㄟ^實時改變環(huán)境溫度來控制分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程，有效地調(diào)控了有機超分子微晶的增益區(qū)間，進而實現(xiàn)了發(fā)射區(qū)間連續(xù)可調(diào)的寬譜微型激光器(圖2)。相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。
以上結(jié)果表明，有機材料中豐富的激發(fā)態(tài)過程為構(gòu)筑有利于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所需的四能級系統(tǒng)提供了更加有效且可控的途徑，此外，材料在受激狀態(tài)下表現(xiàn)出的各種光譜特性，也為深入研究有機分子的激發(fā)態(tài)動力學(xué)提供了更加有力的手段。相關(guān)研究有助于深入理解有機微納激光增益過程，對設(shè)計和開發(fā)新原理、新性能激光器件具有重要的指導(dǎo)意義。
圖1. 基于激發(fā)態(tài)分子內(nèi)質(zhì)子轉(zhuǎn)移過程的波長可切換有機微納激光
圖2. 基于分子內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移過程的寬譜可調(diào)諧有機微激光
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