藍(lán)相液晶（BPLCs)以獨(dú)特的周期結(jié)構(gòu)、多刺激響應(yīng)及實(shí)時(shí)可重構(gòu)性等特點(diǎn)而具有優(yōu)異的光學(xué)性能，在傳感、顯示及防偽等方面頗具應(yīng)用前景。藍(lán)相液晶因帶隙窄、光學(xué)性能優(yōu)異可用于低閾值激光器。目前，藍(lán)相液晶激光器的研究主要聚焦在外界刺激下（如光、電、熱、力等）激光波長的可調(diào)節(jié)性，而對(duì)藍(lán)相激光器工作溫度的研究尚且不足。BPLCs的溫度窗口窄，相應(yīng)激光器的工作溫域約在3-4 ℃。此前報(bào)道的藍(lán)相激光器的最寬工作溫域不超過36 ℃，而聚合物穩(wěn)定藍(lán)相（PSBP）體系的采用拓寬藍(lán)相液晶的溫度窗口至500 ℃。“藍(lán)相液晶溫域”與“藍(lán)相激光工作溫域”的較大差異可能與所用聚合物穩(wěn)定藍(lán)相體系不合適的聚合程度（通常大部分體系可聚合液晶組分<10 wt%）有關(guān)，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，而對(duì)BPLCs帶隙與熒光信號(hào)間匹配性的理解不充分也限制了新型藍(lán)相寬溫域激光器的發(fā)展。 

　　為解決上述問題，中國科學(xué)院院士江雷、中科院理化所仿生材料與界面科學(xué)中心研究員王京霞團(tuán)隊(duì)，前期制備得到了具有寬溫域（-190-360 ℃）的聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶【Nat. Commun. 2021, 12 (1), 3477.】；通過調(diào)節(jié)所制備的藍(lán)相液晶帶隙中心、染料有序度參數(shù)、諧振腔質(zhì)量及泵浦光能量，在染料摻雜藍(lán)相液晶（C6-BPLCs）諧振腔中實(shí)現(xiàn)了可控的單模、雙模、三模及四模面發(fā)射激光【Adv. Mater. 2022, 34 (9), 2108330.】；利用所制備的藍(lán)相液晶為模板，制備得到了高分辨的多色彩藍(lán)相液晶活圖案【Adv. Funct. Mater. 2022, 32 (15), 2110985.】。 

　　研究團(tuán)隊(duì)通過調(diào)控所制備聚合物穩(wěn)定藍(lán)相液晶的可聚合液晶單體含量（30 wt% C6M），形成了穩(wěn)定的藍(lán)相聚合物支架，將該聚合物穩(wěn)定藍(lán)相體系摻雜染料（DD-PSBPLCs）后，獲得寬工作溫域的藍(lán)相液晶激光器（25-230 ℃）。研究表明，寬的BP激光溫域源于所用穩(wěn)定的聚合支架體系，在整個(gè)激光溫域范圍內(nèi)提供了穩(wěn)定的反射信號(hào)和熒光信號(hào)，且在整個(gè)過程中始終保持了反射帶隙與熒光信號(hào)的匹配性；而體系中的非聚合組分在溫度變化過程中產(chǎn)生相變，使得組成的多組分性（25.0-67.5 ℃：藍(lán)相與微量膽甾共存；67.5-72.2 ℃：藍(lán)相體系；72.2-230.0 ℃：藍(lán)相與微量各向同性共存）又賦予了該藍(lán)相激光器可重構(gòu)的性能，實(shí)現(xiàn)了激光閾值隨溫度呈現(xiàn)U型變化、可逆的激光波長及在相變點(diǎn)（約70 ℃）明顯的激光增強(qiáng)效應(yīng)。此外，該工作還對(duì)比了單疇藍(lán)相與多疇藍(lán)相激光器的工作溫域，原位表征了變溫過程中反射信號(hào)、熒光信號(hào)、量子效率、熒光壽命、POM及Kossel結(jié)構(gòu)的變化，并對(duì)其寬溫域激光發(fā)射做出了合理的解釋。這項(xiàng)工作不僅為寬溫域藍(lán)相激光器的設(shè)計(jì)提供了新思路，而且在創(chuàng)新性微觀結(jié)構(gòu)變化方面為新型多功能有機(jī)光學(xué)器件提出了重要見解。  

　　相關(guān)研究成果以Over 200 ℃ Broad Temperature Lasers Reconstructed from Blue Phase Polymer Scaffold為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）上。 研究工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金和中科院-荷蘭科研組織聯(lián)合項(xiàng)目的支持。 

圖1.含30 wt%可聚合液晶單體DD-PSBPLCs的光學(xué)表征。（A）所制備單疇樣品在寬激光溫域范圍微結(jié)構(gòu)的變化圖示；（A1）相應(yīng)的單疇樣品光學(xué)照片。聚合后單疇DD-PSBPLCs (110)晶面的（B）TEM圖，（C）Kossel圖及（D）Syn-SAXS圖。樣品在25-230 ℃的（E）反射光譜，（F）熒光光譜，（G）染料的光致發(fā)光衰減曲線及（H）染料不同溫度下的發(fā)射激光。（I）本工作與文獻(xiàn)中藍(lán)相液晶激光器工作溫域的比較。  

圖2.DD-PSBPLCs寬的激光溫域及在不同溫度下的光學(xué)表征。（ABCE）單疇樣品，25-230 ℃；（D）多疇樣品；25-160 ℃。（A）發(fā)射光譜，泵浦能量：1.00 μJ/pulse, 插圖：POM 照片。（B）熒光光譜。（C）不同溫度下，反射光譜與熒光光譜的相對(duì)位置關(guān)系。（D）發(fā)射光譜，泵浦能量：1.20 μJ/pulse, 插圖：POM 照片。（E）R-POM圖。DD-PSBPLCs 寬的激光溫域源于穩(wěn)定的聚合物支架體系，在寬的溫度范圍內(nèi)提供了穩(wěn)定的反射帶隙及熒光信號(hào)。  

圖3.升降溫過程中DD-PSBPLCs的激光閾值及相轉(zhuǎn)化。（ADE）單疇樣品，溫域：25 - 230 ℃，（BF）多疇樣品，溫域：25 - 160 ℃，升降溫速率：12 ℃/min。（A）單疇樣品和（B）多疇樣品不同溫度下的激光閾值。（C）單疇樣品的DSC測(cè)試，插圖：放大圖，氮?dú)夥諊拢?0 ℃/min。（D）單疇樣品原位升降溫過程中帶隙（插圖：反射強(qiáng)度）與溫度的關(guān)系。（EF）原位降溫過程中樣品的T-POM圖，紅色圈：放大圖。單/多疇樣品均在65 ℃析出，表明未聚合物組分的相變是影響DD-PSBPLCs激光性能的主要原因之一。  

圖4.DD-PSBPLCs溫度變化過程中激光行為可能的解釋及原位可逆的激光行為。（A）DD-PSBPLCs激光行為的機(jī)理圖示，（A₁）大部分的BPI晶格牢牢的被聚合物網(wǎng)絡(luò)鎖住且規(guī)則分布，除少量未被聚合物網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定的膽甾相（Ch相）；（A₂）在相變前（約70 ℃）體系略微膨脹，且Ch相在達(dá)到相變點(diǎn)時(shí)消失，轉(zhuǎn)化為BP相；（A₃）溫度進(jìn)一步升高，超過相變點(diǎn)（72.5 ℃）時(shí)，BPI晶格中的一些LC分子就會(huì)跑出來，并以各向同性相（ISO）存在，導(dǎo)致BPI晶格的連續(xù)收縮。（B）-（E）單疇DD-PSBPLCs在30-100 ℃過程中原位可逆的激光性能及增強(qiáng)效應(yīng)。（B）加熱過程；（C）冷卻過程；（D）激光波長或（E）發(fā)射強(qiáng)度與溫度的關(guān)系，激發(fā)功率：1.17 μJ/pulse，升降溫速率: 12 °C/min, ΔT=10 ℃。（F）x、y、z三個(gè)正交方向的發(fā)射光譜。（G）單疇樣品右/左圓偏振（R/LCP）激射光譜測(cè)試。  

圖5.單疇DD-PSBPLCs加熱過程中的原位Kossel表征。（A）原位Kossel圖（A₁）及其相應(yīng)的圖示（A₂），加熱速率：12 ℃/min。（B）BPI晶格尺寸及Kossel隨溫度變化的圖示，其中R表示Kossel圖中(110)晶面中心圓的半徑，紅色虛線圓圈表示視野范圍。（C）原位升溫過程中R及反射中心波長（λ）與溫度（T）的關(guān)系，實(shí)線表示擬合的直線。