RIKEN tekee uutta edistystä erittäin laajalla lämpötila-alueella (-180~240 astetta) Blue Phase nestekidelaser

Blue-phase nestekidelasereilla (BPLC) on alhainen laserkynnys, moniärsyttävä vaste, monisuuntainen emissio ja reaaliaikainen uudelleenkonfiguroitavuus, ja niillä on erinomaiset sovellusmahdollisuudet havaitsemisessa, näytössä ja väärentämisen estämisessä. Tällä hetkellä sinifaasinestekidelasereiden tutkimus sisältää laserin aallonpituuden virittävyyden ulkoisten ärsykkeiden (esim. valo, sähkö, lämpö, ​​voima jne.) vaikutuksesta, ja itse BPLC:iden kapea lämpötilaikkuna on johtanut kasvavaan kiinnostukseen. laajan lämpötila-alueen BPLC-laserien tutkimuksessa. Polymeeristabilointijärjestelmien käyttöönotto on onnistuneesti laajentanut BPLC-laserien lämpötila-alueen 500 asteeseen, mikä johtaa myös BPLC-laserien lämpötila-alueen vastaavaan laajentamiseen. Muihin orgaanisiin lasereihin verrattuna liikkuvan faasin pienten molekyylien satunnainen kiteytyminen BPLC:issä matalissa lämpötiloissa ja väriaineen ja järjestelmän huono yhteensopivuus tekevät kuitenkin alle 0 asteen lasereiden emittoimisesta haastavaa BPLC:issä. Lisäksi BPLC-laserien toimintamekanismi matalissa lämpötiloissa on edelleen epäselvä. Tämä rajoittaa vakavasti BPLC-laserien mahdollisia sovelluksia muissa alhaisen lämpötilan ympäristöissä, kuten napa-alueilla, syvässä valtameressä ja avaruudessa. Siksi sopivien BPLC-järjestelmien suunnittelu, jotka vastaavat hyvää järjestelmän yhteensopivuutta ja alhaisen lämpötilan pakkasnestettä, on tärkeää matalan lämpötilan BPLC-laserien kehittämisessä.
Yllä olevien ongelmien ratkaisemiseksi akateemikko Jiang Lei ja tutkija Wang Jingxia Kiinan tiedeakatemian Fysiikan ja kemian instituutin bionanomateriaali- ja rajapintatieteen keskuksesta valmistivat polymeeristabiloituja sinifaasinestekiteitä, joissa oli laajat lämpötila-alueet (-190 astetta ~360 astetta) aiemmissa töissään (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); Säätämällä sinifaasisten nestekiteiden raon keskikohtia ja värikuvioita olemme voineet saavuttaa samat tulokset. Säätämällä valmistettua sinisen faasin nestekiden välistä kaistan keskipistettä, värien järjestysparametria, resonanssiontelon laatua ja pumpun energiaa, on saavutettu hallittu yksi-neljä-moodi pintaemissiolasing väriaineseostettujen sinifaasisten nestekiteiden resonanssionteloissa. (C6-BPLC:t) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); valmistettuja sinisen faasin nestekiteitä käytetään malleina erittäin erottuvien moniväristen sinifaasisten nestekiteiden valmistukseen. Käyttämällä valmistettuja sinisiä nestekiteitä malleina valmistettiin korkearesoluutioisia monivärisiä sinisiä nestekiteitä (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985); ja säätämällä sinisten nestekiteiden polymeeripitoisuutta, saatiin sinisten nestekiteiden polymeeritelinejärjestelmä ja BPLC:iden lämpötila-alue laajennettiin 25-230 asteeseen (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Äskettäin tutkimusryhmä on onnistuneesti toteuttanut laajan laserlämpötila-alueen ({{0}} astetta) alle 0 asteen järkevällä järjestelmävalinnalla ja -suunnittelulla, mikä vähentää pienten nestekidemolekyylien satunnaista kiteytymistä alhaisissa lämpötiloissa. Lämpötilat täyspolymeroinnilla ja ketjujoustavien nestekidemonomeerien (RM105) ja väriainemolekyylien (DCM) valinnalla järjestelmän yhteensopivuuden parantamiseksi. Osoitettiin, että täyspolymeerisillä BPLC:illä oli kapea laserviivanleveys (0,0881 nm) ja matala laserkynnys (37 nJ/pulssi) hyvän järjestelmän yhteensopivuuden ansiosta; sillä välin täysin polymeroitu järjestelmä lisäsi näytteiden fototermistä stabiilisuutta, mukaan lukien riittävät heijastus-/fluoresenssisignaalit, sopivat kvanttisannot ja fluoresenssin kestoajat, yhteensovitetut heijastus- ja fluoresenssispektrit, vakaa BPLC:iden valmistus ja korkea hajoamislämpötila, mikä mahdollisti näytteiden lähettää laservaloa -180-240 asteessa . Lisäksi laserin aallonpituuden ja BPLC-kynnyksen vaihtelusäännöt matalassa lämpötilassa (<0 ℃) are revealed for the first time, i.e., red-shifted laser wavelength and increasing laser threshold with decreasing temperature, resulting in a red-shifted laser wavelength and a "U"-shaped laser threshold in -180~240 ℃. These unique laser behaviors are related to the temperature-dependent anisotropic deformation of the BP lattice (-180-0 ℃: BPI lattice contracted along the (110) direction; 0-26.7 ℃: almost unchanged BPI lattice; 26.7-240 ℃: BPI lattice accelerated to expand along the (110) direction). This work not only opens the door to low-temperature BPLCs, but also provides important insights into the design of novel organic optical devices.
Tulokset esitetään erittäin leveinä lämpötilalasereina, jotka ulottuvat -180 asteesta 240 asteeseen perustuen Advanced Materialsissa julkaistuun Fully-polymerized Blue Phase Superstructures -järjestelmään.
Artikkelin vastaava kirjoittaja on tohtori Jingxia Wang Kiinan tiedeakatemian Fysiikan ja kemian instituutista. Yujie Chen, tohtoriopiskelija IUPACissa, CAS, oli ensimmäinen kirjoittaja. Mr. Jing Li ja herra Feng Jin IUPAC:sta auttoivat sinisen faasin nestekiteiden laserkarakterisointia, prof. Lei Shi Fudanin yliopiston fysiikan laitokselta auttoi luonnehtimaan sinisen faasin nestekiteiden fotonista kaistanväliä. ja akateemikko Lei Jiang Kiinan tiedeakatemian fysiikan ja kemian instituutista antoivat ammatillista ohjausta ja apua tähän tutkimukseen.
Tätä tutkimusta tukivat Kiinan kansallinen luonnontieteellinen säätiö ja Kiinan tiedeakatemian Alankomaiden tutkimusohjelma.

Kuva 1. Täysin polymeroituneiden BPLC:iden kemiallinen rakenne ja karakterisointi. a) Seostettujen väriaineiden täysin polymeroiduissa näytteissä käytettyjen aineiden kemialliset rakennekaavat; b) Kaaviokaavio näytteiden mikrorakenteen muutoksista -180 - 240 asteen laserlämpötila-alueella; c) TEM-kuvaajat; d) Kosselin tontit; Vaihtuvan lämpötilan e) Heijastusspektrit ja f) -180 - 240 asteen näytteiden fluoresenssispektrit; g) laserin aallonpituus vs. lämpötila; h) tämän työn vertailu kirjallisuuden sinifaasinestekidelaserien käyttölämpötila-alueeseen.

Kuva 2. Tämän täyspolymeerijärjestelmän suorituskyvyn vertailu muihin järjestelmiin ja värien yhteensopivuustesti. a) Laserlämpötila-alueen vertailu; b) Laserkynnyksen vertailu huoneenlämpötilassa; c) Väriaineen liukoisuustesti POM:lla c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, 120 asteessa. Tämä osoittaa, että DCM on parempi yhteensopivuus RM105:n kanssa. df) Koheesioenergiatiheyden (CED) teoreettiset laskelmat, kokeellinen järjestelmä: RM105 + RM257 + DCM; ohjausjärjestelmä: C6M + C6. Kokeellisella järjestelmällä on suurempi CED- ja liukoisuusparametri (δ) kuin kontrollijärjestelmällä, mikä viittaa siihen, että täyspolymeerijärjestelmällä on parempi yhteensopivuus kuin C6M + C6:lla. g) D) DCM:n teoreettiset laskelmat, RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 120 asteessa. (g) DSC-käyrä, täyspolymeerinäytteellä on vain yksi lasittumislämpötila (Tg=26.7 astetta ), kun taas Tg (-42,94 astetta ) ei ole olemassa, vaan myös kiteytyshuippu (Tc=-24,95 astetta) ja polymeroimattoman komponentin faasimuutoshuippu (TBP=77,35 astetta) näytteelle, jonka polymerointiaste on 25 paino-%. (TBP= 77.35 astetta ).
Kuva 3. Täysin polymeerinäytteiden laserominaisuudet. ab) Emissiospektrit, -180-240 aste ; cd) laserin FWHM huoneenlämpötilassa; e) Laserkynnys huoneenlämpötilassa; f) Kynnys vs. lämpötila "U"-muodossa.

Kuva 4. Täysin polymeerinäytteiden fototermisten ominaisuuksien analyysi. a) Termogravimetrinen analyysi; bd) In situ vaihtelevan lämpötilan XRD; e) Heijastushuippujen ja fluoresenssihuippujen suhteelliset paikat eri lämpötiloissa; f) Heijastuskeskuksen aallonpituus/heijastuksen intensiteetti vs. lämpötila; Vaihtelevat lämpötilat g) Kvanttisaanto ja h) Fluoresenssin elinajat; i) In situ vaihtelevan lämpötilan POM-käyrät; j) In situ vaihtelevan lämpötilan kulmaerotusspektrit (heijastusmoodi).

Kuva 5. In situ Kossel -vaihtelu täyspolymeerinäytteiden lämpötilan muutoksen aikana. a) Kosselin tontit; b) Kossel-käyrät / BP-hila lämpötilan funktiona; c) Kossel-keskuksen ympyräsäde (R) ja heijastuskeskuksen aallonpituus (λ) lämpötilan (T) funktiona.

Kuva 6. Täyspolymeerinäytteiden mikrorakenteen muutokset ja muut laserominaisuudet lämpötilan muutoksen aikana. a) BP-hilan muutokset eri lämpötiloissa. a1) BPI-hila supistui pitkin (110); a2) lähes muuttumaton BPI-hila; a3) BPI-kiteiden nopeutettu laajeneminen pitkin (110); b) laseremissio kolmeen kohtisuoraan x:n, y:n ja z:n suuntaan, pumpun energia: 0.205 μJ/pulssi; c) laserin polarisaatiotesti, L/RCP: vasen/oikea ympyräpolarisoitu valo, pumpun energia: 0,205 μJ/pulssi. pumpun energia: 0,205 μJ/pulssi.