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中科院理化所在藍(lán)相液晶光子晶體多模式激光器方面取得新進(jìn)展 近日，中科院理化所仿生智能界面科學(xué)中心江雷院士、王京霞研究員團(tuán)隊(duì)利用窄帶隙藍(lán)相液晶禁帶附近的諧振模式，在染料摻雜藍(lán)相液晶(C6-BPLC)諧振腔中實(shí)現(xiàn)面發(fā)射一至四波長(zhǎng)激光激射。通過(guò)調(diào)節(jié)藍(lán)相液晶帶隙中心、染料有序度參數(shù)、諧振腔質(zhì)量以及泵浦光能量，可以控制激光峰值的數(shù)量和中心波長(zhǎng)位置。對(duì)于單波長(zhǎng)激光，本研究實(shí)現(xiàn)了超窄線寬激光峰，線寬為0.04 nm (Q因子為13454)。雙波長(zhǎng)激光可在自支撐多疇/單疇C6-BPLC薄膜中實(shí)現(xiàn)，激光峰值中心位置可從512.5 nm變化到559.1 nm。三波長(zhǎng)和四波長(zhǎng)激光的實(shí)現(xiàn)則需要滿(mǎn)足以下條件: (i) 需要合適的λc (≥523.8 nm)，從而使C6-BPLC薄膜在禁帶附近有四種熒光諧振本征模式。當(dāng)λc ≤523.8 nm時(shí)，高能量和低能帶邊的兩種熒光共振本征模相互重疊，無(wú)法有效區(qū)分。(ii) C6-BPLC薄膜應(yīng)保存在液晶盒中，避免自支撐薄膜彎曲、扭轉(zhuǎn)和拉伸導(dǎo)致的晶格變形。(iii) λc應(yīng)小于543.2 nm，保證至少有三種共振模式可被C6熒光峰覆蓋以獲得足夠增益。(iv)需要染料分子在液晶體系中中具有低的有序度參數(shù)，以保證高能帶邊和低能帶邊閾值接近。(v)泵浦光的功率密度應(yīng)強(qiáng)到足以使三個(gè)或四個(gè)諧振模式有足夠增益產(chǎn)生激光。 相關(guān)研究結(jié)果以 Single-, Dual-, Triple, and Quad-wavelength Surface-emitting Lasing in Blue Phase Liquid Crystal為題發(fā)表在Advanced Materials上（https://doi.org/10.1002/adma.202108330）。該文章通訊作者為中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所王京霞研究員和金峰高級(jí)工程師。第一作者為中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究生劉捷。中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所江雷院士和日本中央大學(xué)Tomiki Ikeda教授為本研究提供了專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)和幫助。 這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了在藍(lán)相液晶中一到四波長(zhǎng)激光器的可控制備，并系統(tǒng)研究了藍(lán)相液晶帶隙中心、染料有序度參數(shù)、諧振腔質(zhì)量以及泵浦光能量對(duì)多波長(zhǎng)激光器制備的影響。使用時(shí)域有限差分計(jì)算方法，證明了多波長(zhǎng)激光實(shí)現(xiàn)的機(jī)理，即利用了窄帶隙藍(lán)相液晶禁帶附近的諧振模式。這些研究成果將促進(jìn)面發(fā)射多波長(zhǎng)激光器的制備，并為基于藍(lán)相液晶的新型光子器件的設(shè)計(jì)和構(gòu)筑提供更多可能性。 該研究得到國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51873221，52073292，51673207，51373183），國(guó)家重大研究計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFA0204504）與中國(guó)科學(xué)院荷蘭研究項(xiàng)目（1A111KYSB20190072）的支持。  圖1. C6摻雜自支撐多疇BPI薄膜的制備方法、光學(xué)性質(zhì)、顯微結(jié)構(gòu)和激光性質(zhì)。 (A)染料摻雜自支撐BPI薄膜制備工藝示意圖。(A1) 將液晶混合物裝入液晶盒中。(A2)將液晶盒置于熱臺(tái)上，以0.05 ℃/min的速率從各向同性相緩慢冷卻至BPI。(A3) 液晶盒內(nèi)的BPI被365 nm紫外光照射80 s，以穩(wěn)定紋理。(A4) 從液晶盒中取出聚合物穩(wěn)定的自支撐BPI膜。(A5) 自支撐C6-BPLC薄膜的激光測(cè)試。(B)聚合后的染料摻雜多疇BPI的偏光顯微鏡(POM)圖像。(B)中的插圖顯示了從POM圖像中紅色虛線圈出的區(qū)域測(cè)量得到的相應(yīng)反射譜。(C) 微觀結(jié)構(gòu)的透射電子顯微鏡(TEM)照片，a表示晶格常數(shù)。(D) 通過(guò)λc的相對(duì)位置調(diào)控置于液晶盒中C6-BPLC薄膜的單波長(zhǎng)、雙波長(zhǎng)、三波長(zhǎng)和四波長(zhǎng)激射行為。根據(jù)同時(shí)可以觀察到的激光數(shù)量將相圖劃分為四個(gè)區(qū)域(I.單波長(zhǎng)，II.雙波長(zhǎng)區(qū)，III. 三波長(zhǎng)區(qū)，IV. 四波長(zhǎng)區(qū))。藍(lán)色的圓圈和紅色的三角形代表高能帶邊和地能帶邊激光峰的中心波長(zhǎng)。所有發(fā)射光譜的泵浦能量設(shè)置為激光閾值(P=3Pth)的3倍。此處使用的C6-BPLC薄膜是在光聚合后保持在液晶盒中，以避免自支撐薄膜剝離過(guò)程引起的晶格變形。  圖2. 在低或高能帶邊諧振模式實(shí)現(xiàn)的單波長(zhǎng)激光器。 λc值分別為(A1-A2) 509.4，(B1-B2) 552.2，(C1-C2) 544.5 nm。(A1-B1) 隨著泵浦能量增加而采集的單波長(zhǎng)激光光譜。(A2-B2) 熒光光譜、反射光譜和發(fā)射光譜的相對(duì)位置。(A3-B3) 反射模式下的顯微圖像展示了用于測(cè)試激光性能的區(qū)域。在泵浦能量為2.77 nJ/脈沖的條件下，λc=544.5 nm的自支撐C6-BPLC薄膜上觀察到了(C1-C2)單模激光峰。  圖3. 雙波長(zhǎng)激光光譜，兩個(gè)激光峰的閾值以及激光峰與熒光峰和反射峰的相對(duì)位置。 λc值分別為(A2-A3) 519.1，(B2-B3) 530.1，(C2-C3) 542.1，(D2-D3) 549.8 nm。(A1-D1)熒光光譜、反射光譜和發(fā)射光譜的相對(duì)位置。(A2-D2) 隨泵浦能量增加采集的單波長(zhǎng)或雙波長(zhǎng)激光光譜。(A  圖4. 染料分子有序度參數(shù)Sd的影響。 (A) C6和液晶分子在摩擦取向的液晶盒中的排列模型。(B) 染料摻雜向列相液晶在平面內(nèi)從0°(B1) 旋轉(zhuǎn)到45° (B2) 時(shí)的POM圖像。(C) 線偏振光在偏振方向平行或垂直于摩擦方向時(shí)激發(fā)的歸一化熒光光譜。(D) 在線偏振紫外光激發(fā)下，液晶盒摩擦方向與偏振方向夾角從0°到90°變化時(shí)發(fā)射光譜的歸一化強(qiáng)度。  圖5. 雙波長(zhǎng)激光兩個(gè)激光峰相對(duì)閾值與熒光峰和反射峰的關(guān)系。 (A)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的低能帶邊激光峰中心位置隨自支撐C6-BPLC薄膜λc的變化。藍(lán)色圓圈和紅色三角形分別代表高能和低能帶邊的激光峰中心位置。背景的顏色取決于C6熒光峰的歸一化強(qiáng)度。(B)不同λc的自支撐C6- BPLC薄膜的反射光譜與C6熒光光譜的相對(duì)位置。(C)自支撐C6-BPLC薄膜低、高能帶邊激光閾值隨λc的變化關(guān)系。(D) 模擬計(jì)算低、高能帶邊激光諧振模式的中心位置與C6-BPLC薄膜λc的關(guān)系。  圖6. 置于液晶盒中的C6-BPLC薄膜的三波長(zhǎng)和四波長(zhǎng)激光特性。 (A1) 在41.6 nJ/脈沖泵浦下，λc為525.5 nm的BPI激光發(fā)射光譜。(A2)在1.80 ~ 23.5 nJ/脈沖范圍內(nèi)，隨泵浦能量增加時(shí)采集的發(fā)射光譜。(A3)以6.22 nJ/脈沖泵浦時(shí)，(A2)中突出顯示的激光峰的局部放大發(fā)射光譜。λc分別位于(B1) 523.8，(C1) 530.4和(D1) 534.0 nm處的C6-BPLC的發(fā)射光譜。(B2-D2)以一定泵浦能量泵浦時(shí)采集的發(fā)射光譜。  圖7. 液晶盒中 C6-BPLC薄膜的三波長(zhǎng)和四波長(zhǎng)激光特性總結(jié)。 (A)具有不同λc (523.8， 530.4、534.0 nm)的液晶盒中C6-BPLCs薄膜的反射光譜與C6熒光光譜的位置關(guān)系。(B)在不從液晶盒中取出的情況下，實(shí)驗(yàn)低能和高能量帶邊激光峰中心位置與BPI薄膜的λc的變化關(guān)系。藍(lán)色的圓和紅點(diǎn)的三角分別代表高能帶邊和低能帶邊激光峰值中心位置的實(shí)驗(yàn)值。背景的顏色取決于C6熒光峰的歸一化強(qiáng)度。(C) 模擬計(jì)算的液晶盒中低、高能帶邊激光模式的波長(zhǎng)與多疇C6-BPLC薄膜的λc的關(guān)系。 全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202108330 |
最新評(píng)論
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likaihit 2022-01-19 00:12太厲害了
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redplum 2022-01-19 00:12圖太多了
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tassy 2022-01-19 00:38圖厲害了
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bairuizheng 2022-01-19 01:24看看新聞
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gchen0331 2022-01-19 03:53光子晶體很hot
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tomryo 2022-01-19 07:19中科院理化所在藍(lán)相液晶光子晶體多模式激光器方面取得新進(jìn)展
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悠悠白云 2022-01-19 07:43太厲害了
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xjz0203 2022-01-19 08:12中科院理化所在藍(lán)相液晶光子晶體多模式激光器方面取得新進(jìn)展
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牛開(kāi)心 2022-01-19 08:22光子晶體很hot
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songyang1169 2022-01-19 08:24這項(xiàng)工作實(shí)現(xiàn)了在藍(lán)相液晶中一到四波長(zhǎng)激光器的可控制備，并系統(tǒng)研究了藍(lán)相液晶帶隙中心、染料有序度參數(shù)、諧振腔質(zhì)量以及泵浦光能量對(duì)多波長(zhǎng)激光器制備的影響。