在非手性有机晶体微腔中实现圆偏振激光

圆偏振激光因其兼具圆偏振发射和激光特性，在信息加密、3D激光显示等领域有着重要应用潜力。而通常圆偏振激光的实现都需要依赖手性材料，那有没有可能存在非手性材料中呢？近日，首都师范大学的廖清教授、付红兵教授在非手性的有机微晶体材料上实现了高圆偏振度的圆偏振激光发射。

有机微晶体作为一种新型的材料体系，因其优异的光电性质和高稳定性，在有机激光、有机场效应晶体管、有机发光二极管、有机场效应发光晶体管等领域有着重要的应用前景。尤其是有机微晶体还可以具有高激光增益性质，在光（电）泵浦微纳激光器件方面受到广泛关注。然而，常见的有机激光材料通常表现出弱的圆偏振发射行为，而具有高圆偏振度的手性发光材料设计很难兼顾激光特性。传统的有机圆偏振发光材料的设计策略通常是引入手性分子单元或者构建手性微纳结构，这常常带来分子设计与合成的复杂性以及低的圆偏振度。因此，迫切需要提出新的圆偏振产生机制来突破目前有机圆偏振激光的瓶颈。

图1. 有机微纳晶填充微腔示意图及Rashba-Dresselhaus自旋轨道耦合数据。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

首都师范大学团队开发的非手性有机微晶体光腔很好的弥补了上述缺陷。通过将非手性有机微米带（6M-DSB）引入光学平板微腔，构建了有机复合微腔系统。利用该微腔的光学Rashba-Dresselhaus自旋轨道耦合作用诱导光学模式圆偏振劈裂，实现高圆偏振度的激光发射。

该非手性有机微腔在微纳激光应用中表现出独特优势。有机微米带的单晶特性赋予材料低的缺陷密度和优异的激光增益特性。更为重要的是，单晶中长程有序的分子排列方式带来了晶体的各向异性，为光子的自旋轨道耦合提供物质基础。

由于有机微晶体的各向异性，光学微腔中TE和TM线偏振光学模式会发生相对位移。当两支具有相反奇偶性的正交线偏振的光学模式彼此靠近时，它们会发生共振，从而产生圆偏振劈裂。这就是典型的光子Rashba-Dresselhaus自旋轨道耦合。因此，通过调节微腔的腔长，可以将圆偏振劈裂机制与有机激光发射结合起来，获得有机圆偏振激光。

图2. 圆偏振激光数据。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

最终，该非手性有机微腔表现出优异的激光增益特性和高圆偏振不对称因子（g = 1.2）。这里实现的有机圆偏振激光，无需任何手性分子或手性结构、外在磁场诱导。本工作为设计新型有机圆偏振激光提供了一种新策略，也为未来3D激光显示和信息存储的应用提供了有益借鉴。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是首都师范大学硕士研究生梁倩。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Circularly Polarized Lasing from a Microcavity Filled with Achiral Single-Crystalline Microribbons

Qian Liang, Xuekai Ma, Teng Long, Jiannian Yao, Qing Liao, Hongbing Fu

Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202213229

导师介绍

付红兵

https://www.x-mol.com/university/faculty/15493