激光是20世紀以來人類最偉大的發明之一，已經在軍事國防、工業生產和人們日常生活的諸多領域得到了廣泛應用，這些領域涉及能源、信息、生物醫學等一系列戰略新興產業。隨著科技的進步，激光技術也不斷發展，其中微納激光是激光技術與納米科學交叉產生的研究前沿。在微納尺度，激光三要素（諧振腔、增益介質、泵浦源）同傳統激光器相比都有顯著的不同。在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，中國科學院化學研究所光化學重點實驗室趙永生課題組科研人員近年來一直致力于有機微納激光材料與器件方面的研究，在有機微納諧振腔結構的可控組裝（J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 7276-7279；Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 4325-4340），回音壁模式有機微納激光器（J. Am. Chem. Soc. 2014, 137, 62-65，；Acc. Chem. Res. 2014, 47, 3448-3458），以及有機微納激光的大面積可控集成（Science Advances 2015, 1, e1500257）等方面開展了系統性的研究工作。
研究發現，有機材料在發光效率、柔性、加工性等方面表現出獨特的優勢。有機分子種類豐富，結構可設計，性能可剪裁，在材料選擇方面有很大的靈活性，同時有機材料一般具有較大的光吸收和光輻射截面，利用有機材料易摻雜的特性，可以實現全波段連續可調的受激發射，解決目前紫外和紅外波段激光材料短缺的問題。更為關鍵的是，有機激光產生的過程中涉及全新的粒子數反轉與受激發射機理。
在最近的研究中，研究人員選擇了具有激發態分子內質子轉移（ESIPT）過程的典型四能級分子體系，通過液相組裝，可控制備了高質量的一維單晶結構法布里-珀羅模式諧振腔。在這類單晶納米材料中，基態分子以烯醇式（E）存在，通過分子間氫鍵結合變得更加穩定。當分子被激發后，由于分子內電荷的重新分布，質子給體的酸性增加，質子受體的堿性增加，進而在皮秒量級時間內引起分子內質子轉移，其結果是激發態分子主要以酮式形式（K）存在。激發態的K結構可通過有效的熒光輻射衰變回基態的E結構，這樣，ESIPT過程就可以形成一個完整的四能級體系。其中E結構和K結構具有截然不同的分子構型和電子結構，導致光吸收和發射之間形成很大的斯托克斯位移，從而有效抑制了增益過程中的自吸收損耗，有利于構建低閾值的微納激光器。在此基礎上，通過外界作用，進一步調控酮式結構的激發態能級，實現了波長可切換的有機微納激光（圖1）。相關研究成果發表于《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 7125-7129）。
進一步，研究人員選擇具有分子內電荷轉移（ICT）特性的化合物作為增益材料來構筑有機微納激光。這類化合物具有兩個上能級，而且能級結構和激發態過程對不同的環境有特定的響應。首先通過超分子限域體系設計，實現了兩個上能級布居數的控制。進一步通過穩態與瞬態光譜分析，提出了基于兩個上能態協同增益的全新的激光產生機制，這種機制提供了一種通過控制兩個上能態間的粒子數分布來調控增益區間的新思路。基于此，通過實時改變環境溫度來控制分子內電荷轉移過程，有效地調控了有機超分子微晶的增益區間，進而實現了發射區間連續可調的寬譜微型激光器（圖2）。相關研究成果發表于《美國化學會志》（J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 1118-1121）。
以上結果表明，有機材料中豐富的激發態過程為構筑有利于粒子數反轉所需的四能級系統提供了更加有效且可控的途徑，此外，材料在受激狀態下表現出的各種光譜特性，也為深入研究有機分子的激發態動力學提供了更加有力的手段。相關研究有助于深入理解有機微納激光增益過程，對設計和開發新原理、新性能激光器件具有重要的指導意義。
圖1. 基于激發態分子內質子轉移過程的波長可切換有機微納激光
圖2. 基于分子內電荷轉移過程的寬譜可調諧有機微激光
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