董海云/赵永生课题组在有机连续波激光方面取得新进展

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激光在光子芯片、激光显示、车载雷达等新兴领域发挥着不可或缺的作用。有机材料由于分子多样性、能级丰富性、异质相容性、易加工性等优点，在高性能、多功能激光器构筑方面具有显著优势，有望进一步革新激光技术与应用。目前，有机激光器依赖大尺寸脉冲泵浦源，不利于功能器件集成，严重限制了有机激光的应用范围。因此，发展有机连续波激光器具有重要的科学意义和应用价值，而有机连续波激光材料是这一领域的关键。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，化学研究所光化学院重点实验室赵永生课题组近年来一直致力于有机激光材料方面的研究，在低阈值激光材料设计（J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 20249-20255, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129）、高品质微腔合成（Nat. Commun. 2019, 10, 870; Science Advances 2017, 3, e1700225）、准连续波激光器件构筑（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 21677-21682）等方面开展了系统性的研究工作。最近，赵永生课题组和董海云课题组开发了一种金属键连有机二聚体提高有机分子的拉曼增益的策略，基于有机微晶受激拉曼散射，实现了连续波激光出射。

　　目前有机材料在连续波拉曼激光方面的研究依然空白，有机分子的可设计性为增强拉曼增益系数进而实现连续波拉曼激光提供了机遇。该工作开发了一种金属-有机配位合成有机二聚体的策略，诱导有机官能团的寡聚效应和刚性效应，可以超线性地提高有机分子在金属连接体附近振动模式的拉曼增益系数，为实现有机连续波拉曼激光提供了可能。研究人员选择了具有拉曼活性和孤对电子配位位点的三苯基氧化膦（TPPO）作为模型有机化合物，二价金属卤化物——氯化锌（ZnCl2）作为金属连接体，通过金属-有机配位反应合成了有机二聚体（ZnCl2(TPPO)2）。他们还发展了一种热饱和溶液分子自组装的方法，制备了高质量有机单体和二聚体微晶。相比于有机单体微晶而言，金属键连有机二聚体微晶展现出显著增强的自发拉曼散射，对应于大幅提高的拉曼增益系数。相应地，不同于有机单体微晶，金属键连有机二聚体微晶支持低阈值连续波拉曼激光。并且，相比于有机单体微晶而言，金属键连有机二聚体微晶具有更高的稳定性，可以确保连续波拉曼激光器长时间稳定运行，受激拉曼散射作为一种三阶非线性效应本身支持激光波长调谐。此外，有机二聚体微晶具有大的光学带隙，展现出非常宽的透明窗口（360~1580 nm）。因此，研究人员通过简单调控激发光波长，在有机二聚体微晶中成功实现了可见-近红外范围内多个波长的激光出射（422、465、562、678、852、1190 nm）。金属键连有机二聚体策略可以显著提升有机分子拉曼增益系数和有机微晶材料稳定性，为探索有机连续波微纳激光器提供了一个新平台。
　　相关研究结果发表于Angewandte Chemie International Edition期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202309386）。论文第一作者为博士生刘晓龙，通讯作者为董海云研究员和赵永生研究员。
       文章来源：化学所
       赵永生，2009年10月入选中科院化学所“百人计划”，2011年获国家杰出青年科学基金，2013年百人计划结题优秀。主要从事有机纳米光子学的研究，包括低维有机晶体材料的控制合成与光子学性质，以及基于低维有机复杂材料体系的光子学元件。在低维有机光子学材料与器件的结构设计、可控制备及光与物质的相互作用原理方面做出重要贡献，解决了纳米尺度下光子操纵及光子器件性能调制的难题。