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                      當前位置 >>  首頁 >> 新聞中心 >> 科研進展

                    科研進展

                    理化所在藍相液晶光子晶體多模式激光器方面取得新進展

                    稿件來源:仿生智能界面科學中心 發布時間:2021-12-31

                      藍相液晶是一種性能優異的光子晶體,具有高反射率,窄帶隙,高度有序的立方晶格和相形成無需取向層等優勢,在新型光子器件的制備領域展現出很大的潛力。然而,到目前為止,藍相液晶在激光器應用方面,絕大多數研究成果都集中在高能帶邊或低能帶邊的單模激光或隨機激光。在藍相液晶中,同時在多個不同波長出現單模激光峰的多波長激光器還未實現,多波長激光的機理尚不清楚。 

                      近日,中科院理化所仿生智能界面科學中心江雷院士、王京霞研究員團隊利用窄帶隙藍相液晶禁帶附近的諧振模式,在染料摻雜藍相液晶(C6-BPLC)諧振腔中實現面發射一至四波長激光激射。通過調節藍相液晶帶隙中心、染料有序度參數、諧振腔質量以及泵浦光能量,可以控制激光峰值的數量和中心波長位置。對于單波長激光,本研究實現了超窄線寬激光峰,線寬為0.04 nm (Q因子為13454)。雙波長激光可在自支撐多疇/單疇C6-BPLC薄膜中實現,激光峰值中心位置可從512.5 nm變化到559.1 nm。三波長和四波長激光的實現則需要滿足以下條件: (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λc 523.8 nm時,高能量和低能帶邊的兩種熒光共振本征模相互重疊,無法有效區分。(ii) C6-BPLC薄膜應保存在液晶盒中,避免自支撐薄膜彎曲、扭轉和拉伸導致的晶格變形。(iii) λc應小于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,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強到足以使三個或四個諧振模式有足夠增益產生激光。 

                      相關研究結果以 Single-, Dual-, Triple, and Quad-wavelength  Surface-emitting Lasing in Blue Phase Liquid Crystal為題發表在Advanced Materials上(https://doi.org/10.1002/adma.202108330)。該文章通訊作者為中國科學院理化技術研究所王京霞研究員和金峰高級工程師。第一作者為中國科學院理化技術研究所研究生劉捷。中國科學院理化技術研究所江雷院士和日本中央大學Tomiki Ikeda教授為本研究提供了專業的指導和幫助。 

                      這項工作實現了在藍相液晶中一到四波長激光器的可控制備,并系統研究了藍相液晶帶隙中心、染料有序度參數、諧振腔質量以及泵浦光能量對多波長激光器制備的影響。使用時域有限差分計算方法,證明了多波長激光實現的機理,即利用了窄帶隙藍相液晶禁帶附近的諧振模式。這些研究成果將促進面發射多波長激光器的制備,并為基于藍相液晶的新型光子器件的設計和構筑提供更多可能性。 

                       該研究得到國家自然基金項目(51873221,52073292,51673207,51373183),國家重大研究計劃項目(2017YFA0204504)與中國科學院荷蘭研究項目(1A111KYSB20190072)的支持。 

                      

                      1.  C6摻雜自支撐多疇BPI薄膜的制備方法、光學性質、顯微結構和激光性質。

                    (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) 液晶盒內的BPI365 nm紫外光照射80 s,以穩定紋理。(A4) 從液晶盒中取出聚合物穩定的自支撐BPI膜。(A5) 自支撐C6-BPLC薄膜的激光測試。(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域測量得到的相應反射譜。(C) 微觀結構的透射電子顯微鏡(TEM)照片,a表示晶格常數。(D) 通過λc的相對位置調控置于液晶盒中C6-BPLC薄膜的單波長、雙波長、三波長和四波長激射行為。根據同時可以觀察到的激光數量將相圖劃分為四個區域(I.單波長,II.雙波長區,III. 三波長區,IV. 四波長區)。藍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。所有發射光譜的泵浦能量設置為激光閾值(P=3Pth)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程引起的晶格變形。 

                      

                      2. 在低或高能帶邊諧振模式實現的單波長激光器。

                    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激光光譜。(A2-B2) 熒光光譜、反射光譜和發射光譜的相對位置。(A3-B3) 反射模式下的顯微圖像展示了用于測試激光性能的區域。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。 

                       

                      3. 雙波長激光光譜,兩個激光峰的閾值以及激光峰與熒光峰和反射峰的相對位置。

                    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、反射光譜和發射光譜的相對位置。(A2-D2) 隨泵浦能量增加采集的單波長或雙波長激光光譜。(A3-D3) 隨泵浦能量增加的雙波長激射光譜。(A4-D4) 通過性擬合線的交點,得到的高能帶邊和低能帶邊閾值。插圖(A5-D5)是被泵浦自支撐C6-BPLC薄膜的照片。(A6-D6)反射模式下的顯微圖像展示了用于激光性能測試的區域。 

                        

                      4. 染料分子有序度參數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從0°(B1) 旋轉到45° (B2) 時的POM圖像。(C) 線偏振光在偏振方向平行或垂直于摩擦方向時激發的歸一化熒光光譜。(D) 在線偏振紫外光激發下,液晶盒摩擦方向與偏振方向夾角從90°變化時發射光譜的歸一化強度。 

                       

                      5. 雙波長激光兩個激光峰相對閾值與熒光峰和反射峰的關系。

                    (A)實驗測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的變化關系。(D) 模擬計算低、高能帶邊激光諧振模式的中心位置與C6-BPLC薄膜λc的關系。 

                       

                      6. 置于液晶盒中的C6-BPLC薄膜的三波長和四波長激光特性。

                    (A1) 41.6 nJ/脈沖泵浦下,λc525.5 nmBPI激光發射光譜。(A2)1.80 ~ 23.5 nJ/脈沖范圍內,隨泵浦能量增加時采集的發射光譜。(A3)6.22 nJ/脈沖泵浦時,(A2)中突出顯示的激光峰的局部放大發射光譜。λc分別位于(B1) 523.8,(C1) 530.4(D1) 534.0 nm處的C6-BPLC的發射光譜。(B2-D2)以一定泵浦能量泵浦時采集的發射光譜。 

                        

                      7. 液晶盒中 C6-BPLC薄膜的三波長和四波長激光特性總結。

                     (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熒光光譜的位置關系。(B)在不從液晶盒中取出的情況下,實驗低能和高能量帶邊激光峰中心位置與BPI薄膜的λc的變化關系。藍色的圓和紅點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驗值。背景的顏色取決于C6熒光峰的歸一化強度。(C) 模擬計算的液晶盒中低、高能帶邊激光模式的波長與多疇C6-BPLC薄膜的λc的關系。 

                        

                        

                      全文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202108330 

                        

                    附件:
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