有機(jī)近紅外固體微納激光研究方面取得系列進(jìn)展

　　有機(jī)固體激光器因其制備簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉和易于集成等優(yōu)勢(shì)，一直以來(lái)備受科研工作者的關(guān)注。與無(wú)機(jī)激光介質(zhì)相比，有機(jī)激光材料來(lái)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(lái)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(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部和中國(guó)科學(xué)院的支持下，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所分子動(dòng)態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員付紅兵課題組近期在設(shè)計(jì)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(wú)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(guò)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(guò)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(jì)思路 (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16602)；與此同時(shí)科研人員把材料體系拓展到有機(jī)無(wú)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)。

　　最近，研究人員通過(guò)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¾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(shí)，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(bào)道(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI:10.1021/jacs.5b03051）。文章在線發(fā)表后，美國(guó)《化學(xué)與工程新聞》（C&EN）周刊網(wǎng)站，以O(shè)rganic Lasers Shine Bright in the Infrared 為題對(duì)此工作進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道并且給予了高度評(píng)價(jià)：“Easy-to-build hemispheres could prove widely useful for lasing applications”。

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

圖2 有機(jī)固體近紅外激光器示意圖