激光是20世纪以来人类最伟大的发明之一，已经在工业生产和人们日常生活中得到了广泛应用，应用领域涉及能源、信息、生物医学等一系列战略新兴产业。随着科技的进步，激光技术也不断发展，其中微纳激光是激光技术与纳米科学交叉产生的研究前沿。在微纳尺度，激光出射的三要素（谐振腔、增益介质、泵浦源）同传统激光器相比都有显著的不同。有机分子种类丰富，具有较大的光吸收和光辐射截面，是理想的激光增益材料，更为关键的是，有机激光产生的过程中涉及全新的粒子数反转与受激发射机理。近日，中国科学院化学研究所的赵永生研究员团队基于光异构化调制的分子内电荷转移过程实现了宽谱可调的单模微激光器。
微纳激光在生物传感与成像以及光信息处理等方面的应用，要求微纳光源具有宽谱可调谐性以及高的光谱纯度。得益于有机增益材料化学可调的发光性能以及丰富的激发态过程，研究人员已经发展出多种通过外部刺激（如温度、电场、化学溶剂等）手段成功实现宽谱可调有机微纳激光器。然而，这种外源性刺激的施加不可避免地会对有机激光器件造成不可逆的损害，导致微纳激光光源难以持续稳定运行，已成为限制其实际应用的关键瓶颈问题。
为了解决可调微纳激光器存在的上述问题，赵永生研究团队提出一种基于系统内部“自调节”的策略，成功通过可控光异构化过程实现对激光染料分子内电荷转移（ICT）过程的调控，并基于此实现了对激光增益材料带隙的宽范围动态调节，获得了宽带可调的单模微纳激光。研究者利用螺吡喃类衍生物的光刺激响应，将其定量转化成具有强ICT特性和高光学增益的部花菁异构体（图1）。通过将螺吡喃掺杂进高分子材料中，利用微纳加工手段构筑了高品质光学谐振腔，进而利用紫外曝光可控激活体系内的ICT染料，调控ICT染料的能级结构，最终实现了对增益区间的精细调节。这种异构化过程同时引起微腔折射率的可逆转变，为激光模式的连续调控提供了可能。
图2. 基于选择性光激活ICT过程实现宽谱可调单模激光器
在此基础上研究者通过构筑螺吡喃掺杂的耦合谐振腔实现了单模激光，通过程序化施加紫外光照，在耦合体系内可控激活ICT分子，基于折射率调节和增益调节分别实现了单模激光的连续调控和模式跳跃（图2）。进一步借助在复合微腔体系中构建增益区间和折射率的协同调节过程，实现了动态可调的单模激光并将单模激光调节范围扩展到约30 nm，是迄今为止在近红外波段内调节范围最宽的单模微纳激光器。
这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是中科院化学研究所的博士研究生乔婵，张春焕博士和赵永生研究员为文章的共同通讯作者。
文献链接：
Photoisomerization Activated Intramolecular Charge-Transfer Process for Broadband Tunable Single-mode Microlasers
Chan Qiao, Chunhuan Zhang, Zhonghao Zhou, Haiyun Dong, Yuxiang Du, Jiannian Yao, Yong Sheng Zhao
Angew. Chem. Inte. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.202007361
文章来源：X-MOL资讯
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