可编程的彩虹激光器

撰稿 | 袁知怡（新加坡南洋理工大学 博士生）

可见光谱(380nm-780nm)是电磁波谱中人眼可以看见（感受得到）的部分，组成了我们五彩斑斓的世界。传统的LED全彩光源由红（R），绿（G），蓝（B）三基色为单元，通过叠加组合实现全彩光的显示，已经被广泛应用于各种全彩显示屏。

其中颜色分辨度与颜色覆盖范围是评价全彩光源性能的重要指标，然而，全彩LED的显色度与色彩范围受到RGB三基色光源的波长、带宽等特性的限制。激光的单色性、可调性和高功率等特点，极大的提高了色彩的丰富度与饱和度。全彩激光器在激光显示、生物医疗、工业加工、特殊通信等领域具有重要的应用前景。

过去的研究中，为实现全彩激光器的小型化，大量的光源设计与光纤技术相结合。利用光纤自身小尺寸、高重复率等优点，通过控制泵浦光的特性，收光的位置，以及填充不同的光学材料等实现全彩微型激光器。

然而目前的光纤全彩激光器的色域覆盖率范围仍然受光源材料的性质/种类的限制，同时微米级的空间范围内的色彩调控仍然是亟待解决的问题。

针对以上情况，新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授课题组（拓展：课题组介绍）开发了一种可编程的彩虹激光器。该激光器基于光纤光流体技术平台与液晶球回音壁微腔相结合。该课题组提出通过控制液晶球拓扑结构对激光波长进行调控的概念，通过对不同拓扑结构的四种颜色的液晶球（红R绿G蓝B黄Y）之间的相互组合，实现高度可控的全色调控。

封面图：可编程彩虹激光器。图片来源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen课题组

该研究工作以 Programmable Rainbow-Colored Optofluidic Fiber Laser Encoded with Topologically Structured Chiral Droplets 为题发表在 ACS Nano。

如图1所示，研究者制备了微米量级的液晶球，以空心光纤为载体，通过将不同拓扑结构的RGBY液晶球有控制的填入光纤中来实现光纤光流体彩虹激光器。研究者通过在液晶球中掺入不同浓度的手性分子，制造出具有不同拓扑结构的液晶球，进而调控出12种不同的激光波长。由于可见光的波长与人眼可识别的颜色一一对应，通过从这12种液晶球中挑出选取两个或三个进行组合，可实现298种不同的颜色。

图1: 不同拓扑结构液晶球生成的激光频谱及光纤光流体彩虹激光器的示意图

通过对这12个不同激光波长，即12种特殊颜色的液晶球进行组合可实现高色域覆盖度的全彩激光器。如图2所示，研究者在具有不同拓扑结构的RGBY四种颜色的液晶球中任选两球进行组合，355nm的紫外泵浦源可以同时激发两个不同颜色不同结构的液晶球，得到相对应的光谱颜色，并将光谱信息转化为CIE色度图上的坐标点，与人眼能够捕捉到的颜色一一的对应。

图2：单个液晶球与两个组合的激光远场照片以及对应的CIE坐标。

研究人员进一步证实了激光波长随拓扑结构变化的规律与手性分子的掺杂浓度有关。当液晶分子受手性分子的影响而呈现螺旋排列时，其中的染料分子趋向于同液晶分子排列一致。研究者用两种染料掺杂的液晶球（R,Y）验证液晶激光波长漂移与手性分子浓度之间的关系。如图3所示，当更高浓度的手性分子被掺入液晶球中，液晶球的吸收响应增强。并且随着手性分子浓度的增加，液晶球阈值波长也向长波长漂移。

图3：液晶球吸收强度与掺杂手性分子的浓度相关

白光激光作为激光器中非常重要的一部分，可以由RGB三色激光叠加形成，研究者在白光激光的基础上实现了分别对RGB三色液晶球的拓扑结构进行调控，进而制造出不同色温和白平衡的白光激光。如图4所示，通过控制RGB的手性分子浓度，精确填入空心光纤中进而实现在一根光纤里叠加出偏绿色的白光，暖白，冷白，以及纯白光激光。

图4：RGB三种液晶球不同拓扑结构组合形成“不同颜色”的白光激光

在本文中，利用液晶球作为回音壁谐振腔的激光特性，发现并实现：

1.通过改变手性分子的浓度调控液晶球拓扑结构，使得液晶球吸收强度随之改变，进而控制液晶球激光输出波长。

2.利用可见光范围内光谱与人眼捕捉到的颜色一一对应的关系，通过不同拓扑结构RGBY液晶球的排列组合实现全彩激光器。

3.利用空心光纤小尺寸的特点，有控制的填充特殊的液晶球组合, 实现全彩可编程微型激光器。

这项研究的意义在于利用简单的空心光纤提供了一种微型全彩可编程激光器的新思路, 可用于结构复杂的光纤并能够实现更为精准的颜色控制,  促进小型化全色激光源的发展，为未来可编程化微型光源的发展提供新思路。

论文信息：

Programmable Rainbow-Colored Optofluidic Fiber Laser Encoded with Topologically Structured Chiral Droplets, Chenlu Wang, Chaoyang Gong, Yifan Zhang, Zhen Qiao, Zhiyi Yuan, Yuan Gong, Guo-En Chang, Wei-Chen Tu*, and Yu-Cheng Chen*, ACS Nano 2021.

本文的通信作者为新加坡南洋理工大学电机与电子工程学院Yu-Cheng Chen教授， 第一作者为课题组博士生王晨璐。该工作与 国立成功大学Wei-Chen Tu教授合作。

论文地址:

https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02650

编辑 | 赵阳

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