RIKEN robí nový pokrok v ultra širokom rozsahu teplôt (-180~240 stupňov) s modrým fázovým laserom s tekutými kryštálmi

Lasery s tekutými kryštálmi s modrou fázou (BPLC) s nízkym prahom lasera, multistimulačnou odozvou, viacsmerným vyžarovaním a rekonfigurovateľnosťou v reálnom čase majú skvelé vyhliadky na použitie v oblasti snímania, zobrazovania a boja proti falšovaniu. V súčasnosti výskum laserov s tekutými kryštálmi s modrou fázou zahŕňa laditeľnosť vlnovej dĺžky lasera pri vonkajších stimuloch (napr. svetlo, elektrina, teplo, sila atď.) a úzke teplotné okno samotných BPLC viedlo k rastúcemu záujmu. pri štúdiu laserov BPLC so širokou teplotnou doménou. Prijatie systémov stabilizácie polymérov úspešne rozšírilo teplotný rozsah BPLC na 50}0 stupňov, čo tiež vedie k zodpovedajúcemu rozšíreniu teplotného rozsahu laserov BPLC. V porovnaní s inými organickými lasermi však náhodná kryštalizácia malých molekúl mobilnej fázy v BPLC pri nízkych teplotách a zlá kompatibilita medzi farbivom a systémom sťažujú vyžarovanie laserov pod 0 stupňov v BPLC. Okrem toho je pracovný mechanizmus laserov BPLC pri nízkych teplotách stále nejasný. To výrazne obmedzuje potenciálne aplikácie laserov BPLC v iných prostrediach s nízkou teplotou, ako je polárny, hlboký oceán a vesmír. Preto je pre vývoj nízkoteplotných BPLC laserov dôležitý návrh vhodných systémov BPLC tak, aby spĺňali dobrú systémovú kompatibilitu a nízkoteplotnú nemrznúcu zmes.
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov tím akademika Jiang Lei a výskumníka Wang Jingxia z Centra pre bionanomateriály a vedu o rozhraní Ústavu fyziky a chémie Čínskej akadémie vied pripravili polymérom stabilizované tekuté kryštály modrej fázy s široký rozsah teplôt (-190 stupeň ~360 stupňov) v ich predchádzajúcej práci (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); úpravou stredov zakázaného pásu a vzorov farbív tekutých kryštálov modrej fázy sme boli schopní dosiahnuť rovnaké výsledky. Úpravou pripraveného stredu bandgapu modrej fázy tekutých kryštálov, parametra usporiadania farbiva, kvality rezonančnej dutiny a energie pumpy sa v rezonančných dutinách tekutých kryštálov s modrou fázou dopovaných farbivom dosiahlo riadené jedno až štvormódové povrchové emisné lasovanie. (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); pripravené tekuté kryštály modrej fázy sa používajú ako šablóny na prípravu vysokorozlíšených viacfarebných tekutých kryštálov modrej fázy. Použitím pripravených modrých tekutých kryštálov ako templátov sa pripravili viacfarebné modré tekuté kryštály s vysokým rozlíšením (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); a reguláciou obsahu polyméru v modrých tekutých kryštáloch sa získal systém polymérneho lešenia modrých tekutých kryštálov a teplotný rozsah BPLC sa rozšíril na 25~230 stupňov (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Nedávno výskumný tím úspešne zrealizoval široký rozsah teplôt lasera ({{0}} stupeň) pod 0 stupňov racionálnym výberom a dizajnom systému, čím sa znížila náhodná kryštalizácia malých molekúl tekutých kryštálov pri nízkych teploty pomocou úplnej polymerizácie a výber monomérov tekutých kryštálov s flexibilným reťazcom (RM105) a molekúl farbív (DCM) na zlepšenie kompatibility systému. Ukázalo sa, že celopolymérne BPLC vykazovali úzku šírku laserovej čiary (0,0881 nm) a nízky prah lasera (37 nJ/pulz) vďaka dobrej kompatibilite systému; medzitým celopolymerizovaný systém zvýšil fototepelnú stabilitu vzoriek, vrátane dostatočných odrazových/fluorescenčných signálov, vhodných kvantových výťažkov a životnosti fluorescencie, zodpovedajúcich odrazových a fluorescenčných spektier, stabilnej výroby BPLC a vysokej teploty rozkladu, čo umožnilo vzorkám vyžarujú laserové svetlo v -180-240 stupňoch . Okrem toho pravidlá variácie vlnovej dĺžky lasera a prahu BPLC pri nízkej teplote (<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.
Výsledky sú prezentované ako super-široké teplotné lasery s rozsahom od -180 stupňov do 240 stupňov na základe plne polymerizovaných nadstavieb modrej fázy, publikovaných v Advanced Materials.
Zodpovedajúcim autorom článku je Dr. Jingxia Wang z Ústavu fyziky a chémie Čínskej akadémie vied. Yujie Chen, doktorand na IUPAC, CAS, bol prvým autorom. Pán Jing Li a pán Feng Jin z IUPAC pomohli laserovej charakterizácii tekutých kryštálov modrej fázy, Prof. Lei Shi z Katedry fyziky, Univerzita Fudan pomáhal pri charakterizácii fotonického bandgapu tekutých kryštálov modrej fázy, a akademik Lei Jiang z Ústavu fyziky a chémie Čínskej akadémie vied poskytli odborné vedenie a pomoc pri tejto štúdii.
Tento výskum podporila Národná nadácia pre prírodné vedy v Číne a holandský výskumný program Čínskej akadémie vied.

Obrázok 1. Chemická štruktúra a charakterizácia plne polymerizovaných BPLC. a) chemické štruktúrne vzorce látok použitých v plne polymerizovaných vzorkách dopovaných farbív; b) Schematický diagram mikroštrukturálnych zmien vzoriek v oblasti laserovej teploty -180 - 240 stupňov; c) grafy TEM; d) Kosselove pozemky; Variabilná teplota e) spektrá odrazivosti a f) fluorescenčné spektrá vzoriek -180 - 240 stupňa; g) vlnová dĺžka lasera verzus teplota; h) porovnanie predloženej práce s rozsahom prevádzkových teplôt modrých fázových laserov s tekutými kryštálmi v literatúre.

Obrázok 2. Porovnanie výkonu tohto celopolymérového systému s inými systémami a test kompatibility farbiva. a) Porovnanie teplotného rozsahu lasera; b) Porovnanie prahu lasera pri izbovej teplote; c) Test rozpustnosti farbiva pod POM c1) 90.0 mg RM105 + 4,5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, pri 120 stupňoch . To naznačuje, že DCM má lepšiu kompatibilitu s RM105. df) Teoretické výpočty hustoty kohéznej energie (CED), experimentálny systém: RM105 + RM257 + DCM; riadiaci systém: C6M + C6. Experimentálny systém má väčší CED a parameter rozpustnosti (δ) ako kontrolný systém, čo naznačuje, že celopolymérny systém má lepšiu kompatibilitu ako C6M + C6. g) D) Teoretické výpočty DCM, RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 pri 120 stupňoch. (g) DSC graf, existuje len jedna teplota skleného prechodu (Tg=26,7 stupňa ) pre celopolymérovú vzorku, pričom nie je len Tg (-42,94 stupňa ), ale tiež vrchol kryštalizácie (Tc=-24,95 stupňa) a vrchol fázového prechodu nepolymerizovanej zložky (TBP=77,35 stupňa) pre vzorku so stupňom polymerizácie 25 % hmotn. (TBP= 77.35 stupňa).
Obrázok 3. Laserové vlastnosti vzoriek z celého polyméru. ab) emisné spektrá, -180-240 stupeň; cd) FWHM lasera pri izbovej teplote; e) prah lasera pri izbovej teplote; f) Prahová hodnota verzus teplota v tvare "U".

Obrázok 4. Analýza fototermálnych vlastností vzoriek z celého polyméru. a) Termogravimetrická analýza; bd) XRD s premenlivou teplotou in situ; e) Relatívne polohy reflexných píkov a fluorescenčných píkov pri rôznych teplotách; f) stredová vlnová dĺžka odrazu/intenzita odrazu verzus teplota; Premenlivé teploty g) kvantové výťažky a h) životnosť fluorescencie; i) grafy POM s premenlivou teplotou in situ; j) In situ uhlovo rozlíšené spektrá s premenlivou teplotou (reflexný režim).

Obrázok 5. Kosselova variácia in situ počas zmeny teploty vzoriek z celého polyméru. a) Kosselove pozemky; b) Kosselove grafy / BP mriežka verzus teplota; c) Kosselov stredný kruhový polomer (R) a stredová vlnová dĺžka odrazu (λ) verzus teplota (T).

Obrázok 6. Mikroštrukturálne zmeny a iné laserové vlastnosti celopolymérových vzoriek počas zmeny teploty. a) Zmeny mriežky BP pri rôznych teplotách. a1) mriežka BPI stiahnutá pozdĺž (110); a2) takmer nezmenená mriežka BPI; a3) zrýchlená expanzia kryštálov BPI pozdĺž (110); b) laserová emisia v troch ortogonálnych smeroch x, y a z, energia pumpy: 0,205 μJ/impulz; c) test polarizácie lasera, L/RCP: ľavé/pravé kruhovo polarizované svetlo, energia pumpy: 0,205 μJ/impulz. energia čerpadla: 0,205 μJ/impulz.