可見光譜(380nm-780nm)是電磁波譜中人眼可以看見（感受得到）的部分，組成了我們五彩斑斕的世界。傳統(tǒng)的LED全彩光源由紅（R），綠（G），藍(lán)（B）三基色為單元，通過疊加組合實(shí)現(xiàn)全彩光的顯示，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于各種全彩顯示屏。

其中顏色分辨度與顏色覆蓋范圍是評(píng)價(jià)全彩光源性能的重要指標(biāo)，然而，全彩LED的顯色度與色彩范圍受到RGB三基色光源的波長(zhǎng)、帶寬等特性的限制。激光的單色性、可調(diào)性和高功率等特點(diǎn)，極大的提高了色彩的豐富度與飽和度。全彩激光器在激光顯示、生物醫(yī)療、工業(yè)加工、特殊通信等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。

過去的研究中，為實(shí)現(xiàn)全彩激光器的小型化，大量的光源設(shè)計(jì)與光纖技術(shù)相結(jié)合。利用光纖自身小尺寸、高重復(fù)率等優(yōu)點(diǎn)，通過控制泵浦光的特性，收光的位置，以及填充不同的光學(xué)材料等實(shí)現(xiàn)全彩微型激光器。

然而目前的光纖全彩激光器的色域覆蓋率范圍仍然受光源材料的性質(zhì)/種類的限制，同時(shí)微米級(jí)的空間范圍內(nèi)的色彩調(diào)控仍然是亟待解決的問題。

針對(duì)以上情況，新加坡南洋理工大學(xué) Yu-Cheng Chen教授課題組（拓展：課題組介紹） 開發(fā)了一種可編程的彩虹激光器。該激光器基于光纖光流體技術(shù)平臺(tái)與液晶球回音壁微腔相結(jié)合。該課題組提出通過控制液晶球拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)激光波長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)控的概念，通過對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四種顏色的液晶球（紅R綠G藍(lán)B黃Y）之間的相互組合，實(shí)現(xiàn)高度可控的全色調(diào)控。

封面圖：可編程彩虹激光器。圖片來源: 新加坡南洋理工 Yu-Cheng Chen課題組該研究工作以  Programmable Rainbow-Colored Optofluidic Fiber Laser Encoded with Topologically Structured Chiral Droplets 為題發(fā)表在  ACS Nano。

如圖1所示，研究者制備了微米量級(jí)的液晶球，以空心光纖為載體，通過將不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的RGBY液晶球有控制的填入光纖中來實(shí)現(xiàn)光纖光流體彩虹激光器。研究者通過在液晶球中摻入不同濃度的手性分子，制造出具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的液晶球，進(jìn)而調(diào)控出12種不同的激光波長(zhǎng)。由于可見光的波長(zhǎng)與人眼可識(shí)別的顏色一一對(duì)應(yīng)，通過從這12種液晶球中挑出選取兩個(gè)或三個(gè)進(jìn)行組合，可實(shí)現(xiàn)298種不同的顏色。

圖1: 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)液晶球生成的激光頻譜及光纖光流體彩虹激光器的示意圖通過對(duì)這12個(gè)不同激光波長(zhǎng)，即12種特殊顏色的液晶球進(jìn)行組合可實(shí)現(xiàn)高色域覆蓋度的全彩激光器。如圖2所示，研究者在具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的RGBY四種顏色的液晶球中任選兩球進(jìn)行組合，355nm的紫外泵浦源可以同時(shí)激發(fā)兩個(gè)不同顏色不同結(jié)構(gòu)的液晶球，得到相對(duì)應(yīng)的光譜顏色，并將光譜信息轉(zhuǎn)化為CIE色度圖上的坐標(biāo)點(diǎn)，與人眼能夠捕捉到的顏色一一的對(duì)應(yīng)。

圖2：?jiǎn)蝹€(gè)液晶球與兩個(gè)組合的激光遠(yuǎn)場(chǎng)照片以及對(duì)應(yīng)的CIE坐標(biāo)。研究人員進(jìn)一步證實(shí)了激光波長(zhǎng)隨拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的規(guī)律與手性分子的摻雜濃度有關(guān)。當(dāng)液晶分子受手性分子的影響而呈現(xiàn)螺旋排列時(shí)，其中的染料分子趨向于同液晶分子排列一致。研究者用兩種染料摻雜的液晶球（R,Y）驗(yàn)證液晶激光波長(zhǎng)漂移與手性分子濃度之間的關(guān)系。如圖3所示，當(dāng)更高濃度的手性分子被摻入液晶球中，液晶球的吸收響應(yīng)增強(qiáng)。并且隨著手性分子濃度的增加，液晶球閾值波長(zhǎng)也向長(zhǎng)波長(zhǎng)漂移。

圖3：液晶球吸收強(qiáng)度與摻雜手性分子的濃度相關(guān)白光激光作為激光器中非常重要的一部分，可以由RGB三色激光疊加形成，研究者在白光激光的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了分別對(duì)RGB三色液晶球的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而制造出不同色溫和白平衡的白光激光。如圖4所示，通過控制RGB的手性分子濃度，精確填入空心光纖中進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在一根光纖里疊加出偏綠色的白光，暖白，冷白，以及純白光激光。

圖4：RGB三種液晶球不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合形成“不同顏色”的白光激光 在本文中，利用液晶球作為回音壁諧振腔的激光特性，發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)：

1.通過改變手性分子的濃度調(diào)控液晶球拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使得液晶球吸收強(qiáng)度隨之改變，進(jìn)而控制液晶球激光輸出波長(zhǎng)。

2.利用可見光范圍內(nèi)光譜與人眼捕捉到的顏色一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)RGBY液晶球的排列組合實(shí)現(xiàn)全彩激光器。

3.利用空心光纖小尺寸的特點(diǎn)，有控制的填充特殊的液晶球組合, 實(shí)現(xiàn)全彩可編程微型激光器。

這項(xiàng)研究的意義在于利用簡(jiǎn)單的空心光纖提供了一種微型全彩可編程激光器的新思路, 可用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的光纖并能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準(zhǔn)的顏色控制,  促進(jìn)小型化全色激光源的發(fā)展，為未來可編程化微型光源的發(fā)展提供新思路。

論文信息：

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.

本文的通信作者為新加坡南洋理工大學(xué)電機(jī)與電子工程學(xué)院Yu-Cheng Chen教授， 第一作者為課題組博士生王晨璐。該工作與 國立成功大學(xué)Wei-Chen Tu教授合作。

論文地址:

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