RIKEN daro naują pažangą itin plataus temperatūros diapazono (-180~240 laipsnių) mėlynos fazės skystųjų kristalų lazerio srityje

Mėlynųjų fazių skystųjų kristalų (BPLC) lazeriai, turintys žemą lazerio slenkstį, kelių stimulų atsaką, daugiakryptį spinduliavimą ir galimybę perkonfigūruoti realiuoju laiku, turi puikias taikymo galimybes aptikimo, rodymo ir apsaugos nuo padirbinėjimo srityse. Šiuo metu mėlynosios fazės skystųjų kristalų lazerių tyrimai apima lazerio bangos ilgio derinimą veikiant išoriniams dirgikliams (pvz., šviesai, elektrai, šilumai, jėgai ir kt.), o siauras pačių BPLC temperatūros langas paskatino vis didesnį susidomėjimą. tiriant plataus temperatūros domeno BPLC lazerius. Pritaikius polimerų stabilizavimo sistemas, BPLC temperatūros diapazonas sėkmingai išplėtė iki 500 laipsnių, o tai taip pat atitinkamai padidino BPLC lazerių temperatūros diapazoną. Tačiau, palyginti su kitais organiniais lazeriais, atsitiktinė mažų judriosios fazės molekulių kristalizacija BPLC esant žemai temperatūrai ir prastas dažų ir sistemos suderinamumas apsunkina lazerių, kurių temperatūra žemesnė nei 0 laipsnių, spinduliavimą BPLC. Be to, BPLC lazerių veikimo mechanizmas žemoje temperatūroje vis dar neaiškus. Tai labai apriboja galimą BPLC lazerių pritaikymą kitose žemos temperatūros aplinkose, pavyzdžiui, poliariniame, giluminiame vandenyne ir kosmose. Todėl kuriant žemos temperatūros BPLC lazerius, svarbu sukurti tinkamas BPLC sistemas, kad jos atitiktų gerą sistemos suderinamumą ir žemos temperatūros antifrizą.
Kad išspręstų minėtas problemas, akademiko Jiang Lei ir mokslininko Wang Jingxia iš Kinijos mokslų akademijos Fizikos ir chemijos instituto Bionanomedžiagų ir sąsajų mokslo centro komanda paruošė polimerais stabilizuotus mėlynosios fazės skystuosius kristalus su platus temperatūrų diapazonas (-190 laipsnis ~360 laipsnių ) ankstesniuose jų darbuose (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.); koreguodami mėlynos fazės skystųjų kristalų juostų tarpų centrus ir dažų modelius, mums pavyko pasiekti tuos pačius rezultatus. Reguliuojant paruoštą mėlynos fazės skystųjų kristalų juostos centrą, dažų išdėstymo parametrą, rezonanso ertmės kokybę ir siurblio energiją, dažais legiruotų mėlynos fazės skystųjų kristalų rezonansinėse ertmėse buvo pasiektas kontroliuojamas vieno iki keturių režimų paviršiaus emisijos lazeravimas. (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); paruošti mėlynos fazės skystieji kristalai naudojami kaip šablonai ruošiant labai ryškius daugiaspalvius mėlynos fazės skystuosius kristalus. Naudojant paruoštus mėlynus skystuosius kristalus kaip šablonus, buvo paruošti didelės skiriamosios gebos daugiaspalviai mėlyni skystieji kristalai (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); ir reguliuojant polimero kiekį mėlynuose skystuosiuose kristaluose, buvo gauta mėlynųjų skystųjų kristalų polimerinių pastolių sistema, o BPLC temperatūros diapazonas buvo išplėstas iki 25–230 laipsnių (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Mater. 2022, 34 (47), 2206580.
Neseniai tyrėjų komanda sėkmingai realizavo platų lazerio temperatūros diapazoną ({{0}} laipsnis) žemiau 0 laipsnio, racionaliai parinkdama ir suprojektuodama sistemą, sumažindama atsitiktinę mažų skystųjų kristalų molekulių kristalizaciją esant žemai temperatūrai. temperatūrų visapusiška polimerizacija ir grandinės lankstumo skystųjų kristalų monomerų (RM105) ir dažų molekulių (DCM) parinkimas, siekiant pagerinti sistemos suderinamumą. Buvo parodyta, kad dėl gero sistemos suderinamumo visų polimerų BPLC pasižymėjo siauru lazerio linijos pločiu (0,0881 nm) ir žemu lazerio slenksčiu (37 nJ/impulsas); tuo tarpu visiškai polimerizuota sistema padidino mėginių fototerminį stabilumą, įskaitant pakankamą atspindžio / fluorescencijos signalą, tinkamą kvantinį derlių ir fluorescencijos trukmę, suderintus atspindžio ir fluorescencijos spektrus, stabilų BPLC gamybą ir aukštą skilimo temperatūrą, o tai leido mėginiams skleisti lazerio šviesą -180-240 laipsniu . Be to, lazerio bangos ilgio ir BPLC slenksčio kitimo taisyklės žemoje temperatūroje (<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.
Rezultatai pateikiami kaip itin platūs temperatūros lazeriai, besitęsiantys nuo -180 laipsnio iki 240 laipsnių, remiantis visiškai polimerizuotomis mėlynos fazės antstatais, paskelbtais Advanced Materials.
Atitinkamas straipsnio autorius yra daktaras Jingxia Wang iš Kinijos mokslų akademijos Fizikos ir chemijos instituto. Yujie Chen, IUPAC, CAS doktorantas, buvo pirmasis autorius. Jing Li ir Feng Jin iš IUPAC padėjo lazeriu apibūdinti mėlynosios fazės skystuosius kristalus, prof. Lei Shi iš Fudano universiteto Fizikos katedros padėjo apibūdinti mėlynosios fazės skystųjų kristalų fotoninį tarpą. ir akademikas Lei Jiang iš Fizikos ir chemijos instituto, Kinijos mokslų akademijos, suteikė profesionalias gaires ir pagalbą atliekant šį tyrimą.
Šį tyrimą palaikė Kinijos nacionalinis gamtos mokslų fondas ir Kinijos mokslų akademijos Nyderlandų tyrimų programa.

1 pav. Visiškai polimerizuotų BPLC cheminė struktūra ir apibūdinimas. a) visiškai polimerizuotuose legiruotų dažų mėginiuose naudojamų medžiagų cheminės struktūrinės formulės; b) Mėginių mikrostruktūrinių pokyčių schema -180 - 240 laipsnių lazerio temperatūros srityje; c) TEM sklypai; d) Koselio sklypai; Kintamos temperatūros e) -180 - 240 laipsnio mėginių atspindžio spektrai ir f) fluorescencijos spektrai; g) lazerio bangos ilgis ir temperatūra; h) šio darbo palyginimas su mėlynosios fazės skystųjų kristalų lazerių darbo temperatūrų diapazonu literatūroje.

2 pav. Šios visų polimerų sistemos veikimo palyginimas su kitomis sistemomis ir dažų suderinamumo bandymas. a) Lazerio temperatūros diapazono palyginimas; b) lazerio slenksčio kambario temperatūroje palyginimas; c) Dažų tirpumo bandymas pagal POM c1) 90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM; c2) 90.0 mg C6M + 4.5 mg C6, esant 120 laipsnių . Tai rodo, kad DCM geriau suderinamas su RM105. df) Teoriniai kohezinės energijos tankio (CED) skaičiavimai, eksperimentinė sistema: RM105 + RM257 + DCM; valdymo sistema: C6M + C6. Eksperimentinė sistema turi didesnį CED ir tirpumo parametrą (δ) nei kontrolinė sistema, o tai rodo, kad visų polimerų sistema yra geriau suderinama nei C6M + C6. g) D) Teoriniai DCM, RM105 + 4.5 mg DCM skaičiavimai; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6 120 laipsnių temperatūroje. (g) DSC diagramoje yra tik viena stiklėjimo temperatūra (Tg=26,7 laipsnio ) viso polimero mėginiui, tuo tarpu yra ne tik Tg (-42,94 laipsnio), bet ir taip pat kristalizacijos smailė (Tc=-24.95 laipsnis ) ir nepolimerizuoto komponento fazinio virsmo smailė (TBP=77.35 laipsnis ) mėginiui, kurio polimerizacijos laipsnis yra 25 masės %. (TBP= 77.35 laipsnis ).
3 pav. Viso polimero mėginių lazerio savybės. ab) emisijos spektrai, -180-240 laipsnis ; cd) lazerio FWHM kambario temperatūroje; e) lazerio slenkstis kambario temperatūroje; f) Slenkstis ir temperatūra „U“ pavidalu.

4 pav. Viso polimero mėginių fototerminių savybių analizė. a) Termogravimetrinė analizė; bd) In situ kintamos temperatūros XRD; e) Santykinės atspindžio smailių ir fluorescencijos smailių vietos esant skirtingoms temperatūroms; f) atspindžio centro bangos ilgis / atspindžio intensyvumas, palyginti su temperatūra; Kintamos temperatūros g) Kvantinis derlius ir h) Fluorescencijos trukmės; i) In situ kintamos temperatūros POM diagramos; j) In situ kintamos temperatūros kampinės skiriamosios gebos spektrai (atspindėjimo režimas).

5 pav. In situ Kossel kitimas keičiantis viso polimero mėginių temperatūrai. a) Koselio sklypai; b) Koselio diagramos / BP gardelė ir temperatūra; c) Koselio centro apskritimo spindulys (R) ir atspindžio centro bangos ilgis (λ) atsižvelgiant į temperatūrą (T).

6 pav. Viso polimero mėginių mikrostruktūriniai pokyčiai ir kitos lazerio savybės keičiantis temperatūrai. a) BP gardelės pokyčiai esant skirtingoms temperatūroms. a1) BPI gardelė susitraukusi išilgai (110); a2) beveik nepakitusi BPI gardelė; a3) pagreitintas BPI kristalų plėtimasis išilgai (110); b) lazerio spinduliavimas trimis statmenomis x, y ir z kryptimis, siurblio energija: 0.205 μJ/impulsas; c) lazerio poliarizacijos testas, L/RCP: kairė/dešinė cirkuliariai poliarizuota šviesa, siurblio energija: 0,205 μJ/impulsas. siurblio energija: 0,205 μJ/impulsas.