РИКЕН прави нови напредак у ултрашироком температурном опсегу (-180~240 степени) ласер са течним кристалима плаве фазе

Ласери са течним кристалима плаве фазе (БПЛЦ), са својим ниским прагом ласера, одговором на више стимулуса, вишесмерном емисијом и реконфигурацијом у реалном времену, имају велике изгледе за примену у откривању, приказивању и спречавању фалсификовања. Тренутно, истраживања о ласерима са течним кристалима плаве фазе укључују подешавање таласне дужине ласера ​​​​под спољним стимулансима (нпр. светлост, електрична енергија, топлота, сила, итд.), а уски температурни прозор самих БПЛЦ-а довео је до све већег интересовања у проучавању БПЛЦ ласера ​​широког температурног домена. Усвајање система за стабилизацију полимера успешно је проширило температурни опсег БПЛЦ на 500 степени, што такође доводи до одговарајућег проширења температурног опсега БПЛЦ ласера. Међутим, у поређењу са другим органским ласерима, насумична кристализација малих молекула мобилне фазе у БПЛЦ-има на ниским температурама и лоша компатибилност између боје и система чине изазовним емитовање ласера ​​испод 0 степени у БПЛЦ-овима. Штавише, механизам рада БПЛЦ ласера ​​на ниским температурама је још увек нејасан. Ово озбиљно ограничава потенцијалну примену БПЛЦ ласера ​​у другим окружењима са ниским температурама као што су поларни, дубоки океани и свемир. Због тога је дизајн одговарајућих БПЛЦ система који задовољавају добру компатибилност система и антифриза на ниским температурама важан за развој нискотемпературних БПЛЦ ласера.
Да би решио наведене проблеме, тим академика Јианг Леија и истраживача Ванг Јингкиа из Центра за бионаноматеријале и науку о интерфејсу Института за физику и хемију Кинеске академије наука, припремио је полимер-стабилизоване течне кристале плаве фазе са широк распон температура (-190 степен ~360 степени) у свом претходном раду (Нат. Цоммун. 2021, 12 (1), 3477.); подешавањем центара размака и узорака боја течних кристала плаве фазе, успели смо да постигнемо исте резултате. Подешавањем припремљеног центра размака течног кристала у плавој фази, параметра наручивања боје, квалитета резонантне шупљине и енергије пумпе, постигнуто је контролисано ласерско зрачење површинске емисије од једног до четири мода у резонантним шупљинама течних кристала допираних бојом. (Ц6-БПЛЦ) (Адв. Матер. 2022, 34 (9), 2108330.); припремљени течни кристали плаве фазе се користе као шаблони за припрему високо разрешених вишебојних течних кристала плаве фазе. Користећи припремљене плаве течне кристале као шаблоне, припремљени су вишебојни плави течни кристали високе резолуције (Адв. Фунцт. Матер. 2022, 32 (15), 2110985.); и регулисањем садржаја полимера у плавим течним кристалима, добијен је систем полимерне скеле плавих течних кристала, а температурни опсег БПЛЦ-а је проширен на 25~230 степени (Адв. Матер. 2022, 34 (47), 2206580.). Матер. 2022, 34 (47), 2206580.
Недавно је истраживачки тим успешно реализовао широк опсег ласерске температуре ({{0}} степен) испод 0 степена рационалним избором и дизајном система, смањујући случајну кристализацију малих молекула течних кристала на ниским температурама. температуре потпуном полимеризацијом и одабиром мономера течних кристала са флексибилним ланцем (РМ105) и молекула боје (ДЦМ) како би се побољшала компатибилност система. Показало се да су БПЛЦ-ови од потпуног полимера испољили уску ласерску ширину (0,0881 нм) и низак ласерски праг (37 нЈ/пулс) због добре компатибилности система; у међувремену, потпуно полимеризовани систем повећао је фототермалну стабилност узорака, укључујући довољне сигнале рефлексије/флуоресценције, одговарајуће квантне приносе и животни век флуоресценције, усклађене спектре рефлексије и флуоресценције, стабилну производњу БПЛЦ-а и високу температуру распадања, што је омогућило узорцима да емитују ласерско светло у -180-240 степени. Поред тога, правила варијације таласне дужине ласера ​​и прага БПЛЦ-а на ниској температури (<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.
Резултати су представљени као супер-широки температурни ласери у распону од -180 степени до 240 степени на основу потпуно полимеризованих суперструктура плаве фазе, објављених у Адванцед Материалс.
Одговарајући аутор чланка је др Јингкиа Ванг са Института за физику и хемију Кинеске академије наука. Иујие Цхен, докторанд на ИУПАЦ-у, ЦАС, био је први аутор. Г. Јинг Ли и г. Фенг Јин из ИУПАЦ-а помогли су ласерску карактеризацију течних кристала плаве фазе, проф. Леи Схи са Одељења за физику Универзитета Фудан помогао је у карактеризацији фотонског појаса течних кристала плаве фазе, и академик Леи Јианг са Института за физику и хемију Кинеске академије наука дали су стручне смернице и помоћ за ову студију.
Ово истраживање подржали су Национална фондација за природне науке Кине и Холандски истраживачки програм Кинеске академије наука.

Слика 1. Хемијска структура и карактеризација потпуно полимеризованих БПЛЦ. а) Хемијске структурне формуле супстанци које се користе у потпуно полимеризованим узорцима допираних боја; б) Шематски дијаграм микроструктурних промена узорака у -180 - 240 степену ласерског температурног домена; ц) ТЕМ парцеле; д) парцеле Косела; Променљива температура е) Спектри рефлексије и ф) Спектри флуоресценције узорака од -180 - 240 степена; г) таласна дужина ласера ​​у односу на температуру; х) поређење овог рада са радним температурним опсегом ласера ​​са течним кристалима плаве фазе у литератури.

Слика 2. Поређење перформанси овог потпуно полимерног система са другим системима и тест компатибилности боја. а) Поређење опсега ласерске температуре; б) Поређење прага ласера ​​на собној температури; ц) Тест растворљивости боје под ПОМ ц1) 90.0 мг РМ105 + 4.5 мг ДЦМ; ц2) 90.0 мг Ц6М + 4.5 мг Ц6, на 120 степени. Ово указује да ДЦМ има бољу компатибилност са РМ105. дф) Теоријски прорачуни густине кохезивне енергије (ЦЕД), експериментални систем: РМ105 + РМ257 + ДЦМ; систем управљања: Ц6М + Ц6. Експериментални систем има већи ЦЕД и параметар растворљивости (δ) од контролног система, што сугерише да потпуно полимерни систем има бољу компатибилност од Ц6М + Ц6. г) Д) Теоријски прорачуни ДЦМ, РМ105 + 4.5 мг ДЦМ; ц2) 90,0 мг Ц6М + 4.5 мг Ц6 на 120 степени. (г) ДСЦ дијаграм, постоји само једна температура преласка стакла (Тг=26.7 степени) за узорак од потпуног полимера, док не постоји само Тг (-42.94 степен), већ такође пик кристализације (Тц=-24.95 степени) и пик фазног прелаза неполимеризоване компоненте (ТБП=77.35 степени) за узорак са степеном полимеризације од 25 теж%. (ТБП= 77.35 степени).
Слика 3. Ласерска својства узорака потпуно полимера. аб) Емисиони спектри, -180-240 степен ; цд) ФВХМ ласера ​​на собној температури; е) Ласерски праг на собној температури; ф) Праг у односу на температуру у "У" облику.

Слика 4. Анализа фототермалних својстава узорака свих полимера. а) Термогравиметријска анализа; бд) КСРД променљиве температуре ин ситу; е) Релативни положаји врхова рефлексије и пикова флуоресценције на различитим температурама; ф) Таласна дужина центра рефлексије/интензитет рефлексије у зависности од температуре; Променљиве температуре г) Квантни приноси и х) Животни век флуоресценције; и) ПОМ дијаграми променљиве температуре ин ситу; ј) Ин ситу спектри променљиве температуре угаоно разрешени (режим рефлексије).

Слика 5. Ин-ситу Коссел варијација током промене температуре узорака од свих полимера. а) парцеле Косела; б) Косселове дијаграме / БП решетке у зависности од температуре; ц) Кружни полупречник Косселовог центра (Р) и таласна дужина центра рефлексије (λ) у зависности од температуре (Т).

Слика 6. Микроструктурне промене и друга својства ласера ​​потпуно полимерних узорака током промене температуре. а) Промене БП решетке на различитим температурама. а1) БПИ решетка скупљена дуж (110); а2) скоро непромењена БПИ решетка; а3) убрзано ширење БПИ кристала дуж (110); б) ласерска емисија у три ортогонална правца к, и и з, енергија пумпе: 0.205 μЈ/пулс; ц) тест поларизације ласера, Л/РЦП: лева/десна кружно поларизована светлост, енергија пумпе: 0,205 μЈ/пулс. енергија пумпе: 0,205 μЈ/пулс.