RIKEN réalise de nouveaux progrès dans la plage de température ultra-large (-180~240 degrés) laser à cristaux liquides à phase bleue

Les lasers à cristaux liquides en phase bleue (BPLC), avec leur faible seuil laser, leur réponse multi-stimulus, leur émission multidirectionnelle et leur reconfigurabilité en temps réel, offrent de grandes perspectives d'application dans les domaines de la détection, de l'affichage et de la lutte contre la contrefaçon. Actuellement, la recherche sur les lasers à cristaux liquides à phase bleue inclut l'accordabilité de la longueur d'onde du laser sous des stimuli externes (par exemple, lumière, électricité, chaleur, force, etc.), et la fenêtre de température étroite des BPLC eux-mêmes a suscité un intérêt croissant. dans l'étude des lasers BPLC à large domaine de température. L'adoption de systèmes de stabilisation des polymères a réussi à élargir la plage de température des BPLC à 500 degrés, ce qui conduit également à l'élargissement correspondant de la plage de température des lasers BPLC. Cependant, par rapport à d’autres lasers organiques, la cristallisation aléatoire de petites molécules de la phase mobile dans les BPLC à basse température et la mauvaise compatibilité entre le colorant et le système rendent difficile l’émission de lasers en dessous de 0 degré dans les BPLC. De plus, le mécanisme de fonctionnement des lasers BPLC à basse température reste encore flou. Cela limite considérablement les applications potentielles des lasers BPLC dans d’autres environnements à basse température tels que les régions polaires, les océans profonds et l’espace. Par conséquent, la conception de systèmes BPLC adaptés pour garantir une bonne compatibilité du système et un antigel à basse température est importante pour le développement de lasers BPLC à basse température.
Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, l'équipe composée de l'académicien Jiang Lei et du chercheur Wang Jingxia du Centre des bionanomatériaux et des sciences des interfaces de l'Institut de physique et de chimie de l'Académie chinoise des sciences a préparé des cristaux liquides en phase bleue stabilisés par des polymères avec un large plage de températures (-190 degrés ~ 360 degrés) dans leurs travaux précédents (Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.) ; en ajustant les centres de bande interdite et les modèles de colorants des cristaux liquides en phase bleue, nous avons pu obtenir les mêmes résultats. En ajustant le centre de bande interdite des cristaux liquides en phase bleue préparé, le paramètre d'ordre des colorants, la qualité de la cavité de résonance et l'énergie de la pompe, une émission laser de surface contrôlée d'un à quatre modes a été obtenue dans les cavités de résonance de cristaux liquides en phase bleue dopés par un colorant. (C6-BPLC) (Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.); les cristaux liquides en phase bleue préparés sont utilisés comme modèles pour la préparation de cristaux liquides en phase bleue multicolores hautement résolus. En utilisant les cristaux liquides bleus préparés comme modèles, des cristaux liquides bleus multicolores haute résolution ont été préparés (Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.); et en régulant la teneur en polymère des cristaux liquides bleus, le système d'échafaudage polymère des cristaux liquides bleus a été obtenu et la plage de température des BPLC a été étendue à 25 ~ 230 degrés (Adv. Mater. 2022, 34 (47), 2206580.). Maître. 2022, 34 (47), 2206580.
Récemment, l'équipe de recherche a réussi à réaliser une large plage de températures laser ({{0}} degrés) inférieure à 0 degrés grâce à une sélection et une conception rationnelles du système, réduisant ainsi la cristallisation aléatoire de petites molécules de cristaux liquides à faible température. températures par polymérisation totale et sélection de monomères de cristaux liquides à chaîne flexible (RM105) et de molécules de colorant (DCM) pour améliorer la compatibilité du système. Il a été démontré que les BPLC entièrement polymères présentaient une largeur de raie laser étroite (0,0881 nm) et un faible seuil laser (37 nJ/impulsion) en raison d'une bonne compatibilité du système ; pendant ce temps, le système entièrement polymérisé a augmenté la stabilité photothermique des échantillons, y compris des signaux de réflectance/fluorescence suffisants, des rendements quantiques et des durées de vie de fluorescence appropriés, des spectres de réflectance et de fluorescence adaptés, une fabrication de BPLC stables et une température de décomposition élevée, ce qui a permis aux échantillons de émettre une lumière laser à -180-240 degrés. De plus, les règles de variation de la longueur d'onde laser et du seuil des BPLC à basse température (<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.
Les résultats sont présentés sous forme de lasers à température très large s'étendant de -180 degrés à 240 degrés, basés sur des superstructures de phase bleue entièrement polymérisées, publiés dans Advanced Materials.
L'auteur correspondant de l'article est le Dr Jingxia Wang de l'Institut de physique et de chimie de l'Académie chinoise des sciences. Yujie Chen, doctorante à l'IUPAC, CAS, était le premier auteur. M. Jing Li et M. Feng Jin de l'IUPAC ont aidé à la caractérisation laser des cristaux liquides en phase bleue, le professeur Lei Shi du Département de physique de l'Université de Fudan a aidé à la caractérisation de la bande interdite photonique des cristaux liquides en phase bleue, et l'académicien Lei Jiang de l'Institut de physique et de chimie de l'Académie chinoise des sciences, ont fourni des conseils et une assistance professionnels pour cette étude.
Cette recherche a été soutenue par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le programme de recherche néerlandais de l'Académie chinoise des sciences.

Figure 1. Structure chimique et caractérisation des BPLC entièrement polymérisées. a) Formules chimiques développées des substances utilisées dans les échantillons entièrement polymérisés de colorants dopés ; b) Diagramme schématique des changements microstructuraux des échantillons dans le domaine de température laser de -180 - 240 degrés ; c) tracés TEM ; d) parcelles de Kossel ; Température variable e) Spectres de réflectance et f) Spectres de fluorescence des échantillons de degré -180 - 240 ; g) longueur d'onde du laser en fonction de la température ; h) comparaison du présent travail avec la plage de températures de fonctionnement des lasers à cristaux liquides à phase bleue dans la littérature.

Figure 2. Comparaison des performances de ce système entièrement polymère avec d’autres systèmes et test de compatibilité des colorants. a) Comparaison de la plage de température du laser ; b) Comparaison du seuil laser à température ambiante ; c) Test de solubilité du colorant sous POM c1) 90.0 mg RM105 + 4,5 mg DCM ; c2) 90,0 mg C6M + 4,5 mg C6, à 120 degrés. Cela indique que DCM a une meilleure compatibilité avec RM105. df) Calculs théoriques de densité d'énergie de cohésion (DEC), système expérimental : RM105 + RM257 + DCM ; système de contrôle : C6M + C6. Le système expérimental a un CED et un paramètre de solubilité (δ) plus grands que le système témoin, ce qui suggère que le système entièrement polymère a une meilleure compatibilité que C6M + C6. g) D) Calculs théoriques du DCM, RM105 + 4,5 mg de DCM ; c2) 90,0 mg de C6M + 4,5 mg de C6 à 120 degrés. (g) Graphique DSC, il n'y a qu'une seule température de transition vitreuse (Tg=26,7 degrés) pour l'échantillon entièrement polymère, alors qu'il n'y a pas seulement une Tg (-42,94 degrés), mais également un pic de cristallisation (Tc=-24,95 degrés) et un pic de transition de phase du composant non polymérisé (TBP=77,35 degrés) pour l'échantillon avec un degré de polymérisation de 25 % en poids. (TBP= 77,35 degrés).
Figure 3. Propriétés laser des échantillons entièrement polymères. ab) Spectres d'émission, -180-240 degré ; cd) FWHM du laser à température ambiante ; e) Seuil laser à température ambiante ; f) Seuil en fonction de la température en forme de "U".

Figure 4. Analyse des propriétés photothermiques d’échantillons entièrement polymères. a) Analyse thermogravimétrique ; bd) DRX à température variable in situ ; e) Positions relatives des pics de réflexion et des pics de fluorescence à différentes températures ; f) Longueur d'onde du centre de réflexion/intensité de réflexion en fonction de la température ; Températures variables g) rendements quantiques et h) durées de vie de fluorescence ; i) Parcelles POM à température variable in situ ; j) Spectres in situ à température variable résolus angulairement (mode réflexion).

Figure 5. Variation de Kossel in situ lors du changement de température d'échantillons entièrement polymères. a) parcelles de Kossel ; b) Tracés de Kossel/réseau BP en fonction de la température ; c) Rayon circulaire du centre de Kossel (R) et longueur d'onde du centre de réflexion (λ) en fonction de la température (T).

Figure 6. Modifications microstructurales et autres propriétés laser d’échantillons entièrement polymères lors d’un changement de température. a) Modifications du réseau BP à différentes températures. a1) Réseau BPI contracté le long de (110) ; a2) réseau BPI presque inchangé ; a3) expansion accélérée des cristaux BPI le long de (110) ; b) émission laser dans trois directions orthogonales de x, y et z, énergie de pompe : 0,205 μJ/impulsion ; c) test de polarisation du laser, L/RCP : lumière polarisée circulairement gauche/droite, énergie de pompe : 0,205 µJ/impulsion. énergie de la pompe : 0,205 μJ/impulsion.