化學所高性能有機微納激光的可控構筑研究取得新進展

　　激光是20世紀最偉大的發明之一，已經在人們日常生活的各個領域得到廣泛應用。隨著科技的進步，激光技術也不斷發展，其中微納激光是激光技術與納米科學交叉產生的研究前沿。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中科院光化學重點實驗室研究員趙永生課題組科研人員多年來一直致力于有機微納激光材料與器件方面的研究，在有機微納諧振腔結構的可控組裝（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279；Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4325-4340），有機微納激光材料的激發態過程（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129； J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121； Acc. Chem. Res. 2016, 49, 1691-1700），以及有機柔性微納激光陣列（J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 62-65； J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 2122-2125； Science Advances 2015, 1, e1500257）等方面開展了系統的研究工作。

　　全色激光顯示生物傳感與成像以及光信息處理等方面的應用，要求在微納尺度上同時輸出不同波長的激光，而目前的微納多色激光通常是將不同增益介質集成在同一器件中。然而，由于缺少可適應于多增益區間的模式選擇機制，所得到的微納多色激光器大多以多模式運行。多模式激光會造成信號的隨機波動和偽信號的產生，這是目前多色激光應用于各種光子學器件，尤其是光子學信息處理時所面臨的一個關鍵瓶頸問題。最近，研究人員通過可控的納米構筑技術，構建了不同波長有機微納諧振腔的軸向復合結構，首次實現了多增益區間的激光模式互選，從而實現了不同波長的微納單模式激光的可控輸出，向高性能納米光子學集成器件的可控構建邁出了堅實的一步。

　　研究人員選擇兩種具有高光學增益性質的有機激光染料，通過可控分子組裝，制備了兩種染料各自形貌規整的有機單晶納米線。進一步利用微操控手段在材料選擇和結構搭建方面的靈活性，將制備的兩種有機一維晶體構筑成軸向耦合的異質結，作為復合諧振腔結構。在構筑的復合體系中，每一根納米線既可以產生對應增益區間的激光出射，又同時作為另一根納米線的模式濾波器，在兩根納米線之間的協同作用下實現了激光模式的相互調制，從而獲得了雙波長的單模激光（圖1）。由于不同波長的增益放大在空間上是相互分離的，所得到的軸向耦合諧振腔可從不同端口實現不同波長相干信號的分別輸出（圖2），這將極大提高光子學集成器件的集成度和靈活性。

　　相關成果發表在Science Advances 2017, 3, e1700225。

圖1 軸向耦合納米線異質結模式調制效果研究

圖2 雙色單模激光的可控輸出