中科院化学所赵永生团队J. Am. Chem. Soc.:有机Janus微球——一种实现全彩双波长微型激光器的通用方法

【引言】

在单个微纳体系中实现多色激光对于生物标记，全色激光显示和多通道光通信等领域是十分重要的。宽显示色域和高通量光子器件需要波长覆盖整个可见光范围的纳米级多波长相干光源。在此之前，多波长微/纳米激光器主要通过在单个器件上集成具有不同带隙的增益介质来实现。由于短波材料的发射被窄间隙材料所吸收，严重抑制了高能区域的激光出射。在中耦合谐振腔中实现不同增益材料的空间分离可以使吸收损耗降到最小。这些复合微腔多数是由无机轴向异质结构构成的，它们的制备需要克服不同材料外延生长的晶格匹配的问题，因此限制了多波长激光的光谱范围。

Janus颗粒的表面具有两种不同的物理性质，有机聚合物Janus颗粒是典型的代表，每个颗粒一半由亲水基团组成，另一半由疏水基团组成。基于“相似相容”原理，具有不同极性的有机激光染料可以选择性地嵌入到单个Janus颗粒的两个部分，这将形成典型的耦合腔，可以作为一种在空间上分离增益材料的通用方法。此外，较高兼容性使得聚合物材料可以与各种增益介质相结合，这原则上将提供通用的策略来构造在整个可见区域内可调谐的双色微型激光器。然而，这仍然受到Janus颗粒的合成的限制，目前的合成方法很难得到尺寸中波长衍射极限以上的Janus微球。

【成果简介】

近日，中科院化学所赵永生团队报道了双波长激光器的荧光Janus微结构的合成方法，其中每个粒子的两侧可以用亲水和疏水染料分别掺杂。 在单个Janus粒子中实现了低阈值双波长激光，并且激光性能高度依赖于Janus结构，从而提供输出信号的有效调节。 该方法适用于所有亲水性和疏水性有机染料，Janus激光器的发光颜色通过改变封装染料调整为蓝-粉至绿-橙，显示出双波长全彩激光器设计和制造的巨大潜力。这个工作将扩大Janus纳米材料的应用范围，并为微纳体系中的光电子集成提供一种新方法。该成果以题为“Organic Janus Microspheres: A General Approach to All-Color Dual-Wavelength Microlasers”发表在J. Am. Chem. Soc.上。

【图文导读】

Figure1.微球的设计示意图与形貌表征

(a).双色发射Janus微球的设计示意图

(b).双色发射Janus微球的合成示意图

(c).双色发射Janus微球的光学显微镜照片

(d).SEM表征

(e).荧光照片

(f-h).不同PS和PMMA比例的微球的荧光照片

Figure2.微球的表征

(a).微球荧光强度随能量的变化

(b).CNDPASDB和Rh101荧光强度随能量的变化

(c).不同PS和PMMA比例微球的荧光光谱图

(d).λ₁²/Δλ₁与富含PS的半球的直径之间的关系

(e).λ₁²/Δλ₁与富含PMMA的半球的直径之间的关系

Figure 3.微球的表征

(a-d).荧光照片

(e).激光光谱

(f).色坐标

Figure 4.染料结构与光谱表征

(a,d,g).染料分子结构

(b,e,h).微球的荧光照片

(c,f,i).微球的激光光谱

【小结】

在这个工作中，作者开发出一种合成二元荧光有机Janus微球的方法，将其用作耦合的WGM谐振腔实现双色微拿激光。 耦合的WGM腔可以单独调制，提供在微小的Janus结构中实现新型光子功能的可能性。 此外，Janus微球的柔性和相容性使其可以通过掺杂各种染料灵活地设计来自两个半球的激光波长，从而证明了双色微激光器在整个可见光谱上的通用合成策略。 这个工作将为具有新颖性能和应用的多功能纳米光子材料的设计提供新思路。

Organic Janus Microspheres: A General Approach to All-Color Dual-Wavelength Microlasers

(J. Am. Chem. Soc., 2019, DOI: 10.1021/jacs.9b00362)

中国科学院化学所赵永生研究员课题组多年来一直致力于有机纳米光子学材料与器件方面的研究，在多功能有机微纳激光的可控制备（J. Am. Chem. Soc. 2011,133,7276-7279； Acc. Chem. Res.2014,47,3448-3458; J. Am. Chem. Soc. 2015,138,62-65; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121; Adv. Mater. 2016, 28, 4040-4046; Science Advances 2017, 3, e1700225; Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 3108-3112），有机微纳体系中的激发态过程与光子学功能的关系（Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 8713-8717；Chem. Soc. Rev.2014,43,4325-4340; Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129; J. Am. Chem. Soc.2016, 138, 2122-2125；J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11329-11332; Adv. Mater. 2017, 29, 1701558; Science Advances 2018,4,eaap9861），以及有机柔性光子学集成器件（Science Advances 2015,1,e1500257；Acc. Chem. Res.2016,49,1691-1700; Adv. Mater. 2016, 28, 1319-1326; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 13147-13150; Nature Commun.2019, 10, 870）等方面开展了系统的研究工作。

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