撰稿 | 袁知怡（新加坡南洋理工大學 博士生）

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（B）三基色為單元，通過疊加組合實現(xiàn)全彩光的顯示，已經(jīng)被廣泛應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價全彩光源性能的重要指標，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、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，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)域具有重要的應用前景。

過去的研究中，為實現(xiàn)全彩激光器的小型化，大量的光源設計與光纖技術(shù)相結(jié)合。利用光纖自身小尺寸、高重復率等優(yōu)點，通過控制泵浦光的特性，收光的位置，以及填充不同的光學材料等實現(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，同時微米級的空間范圍內(nèi)的色彩調(diào)控仍然是亟待解決的問題。

針對以上情況，新加坡南洋理工大學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撲結(jié)構(gòu)對激光波長進行調(diào)控的概念，通過對不同拓撲結(jié)構(gòu)的四種顏色的液晶球（紅R綠G藍B黃Y）之間的相互組合，實現(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的液晶球，以空心光纖為載體，通過將不同拓撲結(jié)構(gòu)的RGBY液晶球有控制的填入光纖中來實現(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，制造出具有不同拓撲結(jié)構(gòu)的液晶球，進而調(diào)控出12種不同的激光波長。由于可見光的波長與人眼可識別的顏色一一對應，通過從這12種液晶球中挑出選取兩個或三個進行組合，可實現(xiàn)298種不同的顏色。

圖1: 不同拓撲結(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

通過對這12個不同激光波長，即12種特殊顏色的液晶球進行組合可實現(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撲結(jié)構(gòu)的RGBY四種顏色的液晶球中任選兩球進行組合，355nm的紫外泵浦源可以同時激發(fā)兩個不同顏色不同結(jié)構(gòu)的液晶球，得到相對應的光譜顏色，并將光譜信息轉(zhuǎn)化為CIE色度圖上的坐標點，與人眼能夠捕捉到的顏色一一的對應。

圖2：單個液晶球與兩個組合的激光遠場照片以及對應的CIE坐標。

研究人員進一步證實了激光波長隨拓撲結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律與手性分子的摻雜濃度有關(guān)。當液晶分子受手性分子的影響而呈現(xiàn)螺旋排列時，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）驗證液晶激光波長漂移與手性分子濃度之間的關(guān)系。如圖3所示，當更高濃度的手性分子被摻入液晶球中，液晶球的吸收響應增強。并且隨著手性分子濃度的增加，液晶球閾值波長也向長波長漂移。

圖3：液晶球吸收強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)上實現(xiàn)了分別對RGB三色液晶球的拓撲結(jié)構(gòu)進行調(diào)控，進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而實現(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三種液晶球不同拓撲結(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)并實現(xiàn)：

1.通過改變手性分子的濃度調(diào)控液晶球拓撲結(jié)構(gòu)，使得液晶球吸收強度隨之改變，進而控制液晶球激光輸出波長。

2.利用可見光范圍內(nèi)光譜與人眼捕捉到的顏色一一對應的關(guān)系，通過不同拓撲結(jié)構(gòu)RGBY液晶球的排列組合實現(xiàn)全彩激光器。

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

這項研究的意義在于利用簡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)復雜的光纖并能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準的顏色控制,  促進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電機與電子工程學院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Wei-Chen Tu教授合作。

論文地址:

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

編輯 | 趙陽

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