基于有机复合材料构筑新型微纳激光器

High-performance micro/nanolasers are key components of highly integrated photonic systems, which are crucial to the development of future information technology. The combination of multiple gain materials and microcavity structures provides a broader space for the development of high performance micro/nanolasers. Organic materials, especially the organic polymer materials, have excellent material compatibility and controllable preparation and processing properties, which are very suitable for the construction of composite micro/nano lasers. More importantly, organic materials possess abundant excitation state processes, which will be further enriched in the composite structure. This will lead to many unique optical properties and therefore greatly promote the development of micro/nanolasers with improved performance and expanded function. However, the research of microlasers based on organic composite materials is still in its infancy, and there remain many scientific and technical problems needed to be further explored.In this project, we aim to realize various high-performance laser devices based on the design and construction of organic composite nanomaterials through self-assembly or microfabrication process. The novel photophysical process in composite nanomaterials will be studied through time-resolved spectroscopy and spatially resolved spectroscopy techniques, revealing the relationship between the composite structure and laser performance. This project will give a useful enlightenment for the development of multifunctional lasers and other photonic devices.

高性能微纳激光器是高密度光子学集成中的关键光子学元件，对未来信息技术发展至关重要。多种增益材料和微腔结构的复合为高性能的新型微纳激光器的发展提供了更广阔的空间。有机材料，尤其是有机高分子材料具有优异的材料兼容性，以及可控的制备加工性能，非常适合复合微纳激光器的构筑。更为重要的是，有机材料中激发态过程丰富的特性在复合结构中会进一步放大，进而产生许多新奇的光学性质，对微纳激光器的性能提升和功能拓展将起到极大的推动作用。目前有机复合微纳激光器研究尚处于起步阶段，其中包含的许多科学与技术问题值得深入探索。本项目拟以特定性能微纳激光器为导向，选择多种增益性能良好的有机材料，通过将不同有机材料组装和加工制备成特定的有机复合微纳结构，结合时间分辨光谱技术和空间分辨光谱技术，深入研究复合纳米材料中新颖光物理过程，揭示有机微纳复合材料中的结构—性能关系，将为多功能激光及其他光子器件的发展提供有益的借鉴。

本项目按照任务书执行。围绕着有机复合材料体系中的特殊激发态过程以及高性能复合材料激光器的可控构筑及应用两个方面展开了系统研究。我们充分利用有机材料丰富的激发态过程和有机材料优异的掺杂性，理性设计多种具有特殊激发态过程的复合材料体系，并通过时间和空间分辨光谱技术对体系中的光物理过程进行了深入研究。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，实现了宽带可调的单模微纳激光。发展了一种光控可重构FRET过程，大大拓宽了激光输出波长的原位调节范围，并实现了宽谱可切换单模激光的动态调控，为合理设计具有理想性能的微型化光子学材料和器件提供了有价值的思想指导。.高性能微纳激光阵列化是将微纳激光推向应用过程的必要前提。基于此我们开发了一种差异化聚合物断链策略实现自支撑微腔的一步加工。该构筑策略在材料成分和器件结构等方面都具有很高的设计灵活性，可以实现多功能的自支撑型微激光器阵列。借助于优异的材料相容性，我们通过将不同发光颜色的激光染料掺杂到自支撑微盘中得到了全光谱覆盖激光阵列，该全色激光阵列可以用做激光显示。在此基础上，结合有机激光材料在高灵敏传感等方面的优势，提出了基于柔性有机微纳激光阵列实现人造光子皮肤的新思路，并展示了微纳激光阵列在防伪方面的应用。为了解决不同材料在集成过程中的干扰问题，我们提出了一种通用的原位交联策略来实现对有机微激光器的正交溶液加工，制备了大面积的全色有机微激光器阵列，并进一步以该激光阵列为显示面板实现了全色图案显示。.项目执行期间累计发表高水平研究论文14篇，包括Sci. Adv. (1篇), Angew. Chem. Int. Ed. (3篇), Adv. Mater. (3篇)，申请中国发明专利3项。参与编撰图书《低维分子材料与器件》，负责第12章“有机激光材料与器件”。