华东理工大学朱为宏教授&郑致刚教授最新Advanced Materials：四维光可调控液晶超结构激光

一、【导读】

多维度调控激光的波长、振幅、相位和偏振态，对于自由空间光通信、光学成像、光镊等现代光子技术具有重大意义。然而，由于微腔内谐振与微腔外传输难以实现耦合，因此要获得稳定输出、抗疲劳强度高的多自由度激光仍然是一个巨大的挑战。为了对激光输出模式进行调制，现有的技术主要是通过设计相应的超表面结构，来实现激光的自由度调制，但是超表面材料的不可调谐性进一步限制了多维度可调谐激光的发展。目前报道可调谐液晶激光的手性光敏材料主要为偶氮苯类材料，但这种材料的稳定性和抗疲劳性较差，这将会导致在光调制过程中，液晶微腔中会形成多种缺陷，通常表现为激光峰宽较宽、杂峰、峰畸形等。正是由于传统的手性光敏材料限制了可调谐波长激光实现进一步的自由度调控，使得多维度可调控激光仍然是一个难题。

二、【成果掠影】

近期，华东理工大学化学与分子工程学院、教育部前沿科学中心朱为宏教授和物理学院郑致刚教授等人在四维光可调控液晶超结构激光方面取得突破性进展。该工作设计了一种可逆的内源手性分子光控开关，并构造了一种具有稳定输出的液晶激光体系。此外，采用戊基苯作为类液晶基团修饰在内源手性分子侧端，可进一步提高其与液晶的相容性，从而提高了整个液晶体系的稳定性和抗疲劳度。可逆的内源手性分子光控开关可以抑制由于分子本身带来的多畴结构，解决了由微腔缺陷引起的液晶的取向紊乱和光谱畸形等问题，提升了激光的光学性能。通过对光子微腔内谐振与微腔外传输耦合平衡巧妙调控，发展了四维可调控激光编码技术，为集成光学芯片、光学神经网络和光学计算等领域提供了一种小型化和低成本的新技术。相关研究成果以“AQuadri-Ddimensional Manipulable Laser with Intrinsic Chiral Photoswitch”为题，发表在Advanced Materials上。

三、【数据概览】

图一、基于内源手性光开关的四维可调控液晶激光设计图

图二、基于内源手性光开关的四维液晶激光的波长、波面调谐

图三、基于内源手性光开关的四维液晶激光的自旋和轨道角动量调控

图四、基于内源手性光开关的其他模式激光调控

图五、基于内源手性光开关的四维液晶激光编码技术

四、【成果启示】

由于光控手性微腔结构的不可控性，创建光子腔内谐振与腔外传输的耦合平衡仍然是实现多维度激光中的一个科学难点。基于此，发展了一类具有优异的热稳定性和抗疲劳度的内源手性光控手性分子，开创了多稳态、动态编辑的四维可调谐激光，解决了传统可调谐激光微腔缺陷和耦合平衡问题，实现了四维可调谐激光编码技术（波长、波面、自旋角动量和轨道角动量）。

该研究工作主要是由我校化学与分子工程学院博士生胡宏龙在朱为宏教授和郑致刚教授的指导下完成，并得到田禾院士大力支持。该研究工作得到了材料生物学与动态化学教育部前沿科学中心、国家自然科学基金基础科学中心项目、国家优秀青年科学基金、上海市滚球体育 创新计划重大专项、上海市曙光计划等项目的支持。

原文信息：https://doi.org/10.1002/adma.202110170

本文由作者供稿。

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