点亮微观世界——基于有机异质结的双色微激光器

激光是20世纪人类最伟大的发明之一,具有方向性、单色性、高亮度等特点,是目前人类利用光的信息和能量最有效的方式,被称为最快的刀、最准的尺、最亮的光,由此衍生出来的激光切割、激光测距、激光通信等一系列革命性技术,已经在军事国防、工业生产和人们日常生活的诸多领域得到了极大应用。双色(或多色)激光光源,近年来引起了科学家和大众的广泛关注,被认为是实现未来并行量子计算、激光显示、激光照明等突破性科技的关键源头技术。然而,由于组成激光三要素之一的增益介质(另外两者为谐振腔和泵浦源)一般只具有较窄的光学增益窗口,使得常见激光器只能发出单一颜色的信号光。而通常实现双色或多色激光的办法,是将不同颜色的激光并行合束在一起,这往往使得激光器的尺寸较大,不利于微型集成。

半导体微纳米异质结,是近年来兴起的构筑双色激光器理想的微结构材料。它是将不同颜色的半导体介质通过外延生长的方法,紧密集成在一块只有人体头发丝直径1/100尺寸大小的纳米材料上,利用半导体纳米材料的自谐振腔和增益特性,可以实现超小体积和能耗的激光输出。传统的纳米异质结,一般是利用无机半导体在高温或高压的条件下,通过气相沉积或水热法制备得到,异质结构的生长需要满足严格的晶格匹配推荐。相较而言,有机半导体纳米异质结构,由于弱的分子间相互作用及良好的分子兼容性,易于在温和条件下通过溶液组装的方式,进行快速、大批量地制备。然而,由于缺乏对二元分子协同组装机制的深入理解,目前将两种以上激光染料分子可控组装成高质量的复合谐振腔结构,并保持它们各自的微腔和增益特性,仍然面临很大地挑战。

最近,北京师范大学呼凤琴课题组和中科院化学研究所赵永生课题组合作,通过分步协同组装,可控制备得到了一类蓝色微盘(WGM腔)和绿色微米线(FP腔)组成的双色激光器。他们从能级增益和分子间相互作用的角度出发,结合理论计算,设计合成了两种母体相同但取代基不同的激发态分子内质子转移(ESIPT)激光染料分子。两种分子共同具有四能级辐射类型的激发态过程,各自的晶态聚集体都能实现高效的激光出射,同时相似的分子微观堆积作用和分子间氢键相互作用,为两种分子协同组装从而得到高质量的复合谐振腔结构提供了可能。研究表明,两种分子分步协同组装策略的作用机制,与通过理论预想的一致,涉及方向性氢键辅助的晶面选择性成核生长。即一种有机分子先行组装成微盘,另一种分子在分子间氢键作用下选择性地在微盘特定晶面(010)或(0-10)成核进而外延生长得到微米线,进而可控地制备了线/盘复合的耦合谐振腔结构。在外部光源的激励下,该异质结构能够同时在微米线两端可控地输出蓝色和绿色激光,两种激光信号的强度可以被有效地调控,激光输出波长可以在蓝光和绿光之间连续切换。

该工作为多色甚至白光激光的开发提供了新的思路,也为多带片上集成和并行运算提供了初步的结构论证和材料基础。相关论文发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201701077)上。

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