有機固體激光器因其制備簡單、價格低廉和易于集成等優(yōu)勢，一直以來備受科研工作者的關注。與無機激光介質(zhì)相比，有機激光材料來源廣泛，并且具有發(fā)射光譜寬、受激發(fā)射截面積大等特性，近年來在激光顯示、生物傳感器等應用方面顯示出很大的應用前景。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的支持下，中國科學院化學研究所分子動態(tài)與穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)國家重點實驗室和光化學院重點實驗室研究員付紅兵課題組近期在設計有機共軛小分子近紅外發(fā)光材料的基礎上，發(fā)展了有機固體微納近紅外激光器。
傳統(tǒng)無機半導體垂直腔面發(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，需要復雜的工藝流程和昂貴的成本。相比較而言，有機半導體材料可以通過低溫溶液加工工藝進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)的光學微腔，通過調(diào)控微米片的尺寸，分別實現(xiàn)了單模和多模的激光發(fā)射 (Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 5863);進一步基于有機分子的可裁剪性，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)在關聯(lián)規(guī)律，為高性能有機固體激光器提供了新的設計思路 (J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 16602);與此同時科研人員把材料體系拓展到有機無機雜化鈣鈦礦材料，實現(xiàn)了綠光波段的激光發(fā)射 (Adv. Mater. 2015, 27, 22)。
最近，研究人員通過把“分子內(nèi)氫鍵”引入有機共軛小分子的策略，合成了固體發(fā)光量子效率高達15.2%的近紅外發(fā)光材料?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)筑了有機微米半球的回音壁諧振腔。與此同時，DPHP材料自身超快的輻射速率，避免了在高強度泵浦光下的激子-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現(xiàn)了光的受激發(fā)大，這也是基于非摻雜型有機固體近紅外激光的首例報道(J. Am. Chem. Soc. 2015, DOI:10.1021/jacs.5b03051)。文章在線發(fā)表后，美國《化學與工程新聞》(C&EN)周刊網(wǎng)站，以Organic Lasers Shine Bright in the Infrared 為題對此工作進行了相關報道并且給予了高度評價：“Easy-to-build hemispheres could prove widely useful for lasing applications”。
北京天壇(回音壁)和有機六邊形微米盤中光波的回音壁現(xiàn)象
有機固體近紅外激光器示意圖
