作者:Thamarasee Jeewandara，科学X网络，物理
（同organic）有机 ZJU-68晶体单轴同质外延生长示意图
有机桥联配体H2CPQC沿晶轴方向提供了较高的螯合位点密度，轴向和径向螯合位点密度的显著差异使得晶体倾向于在H+较少的生长溶液中沿轴向外延生长
此外，基底的引入防止附着在基底上的ZJU-68晶体的一个端面接触框架构建元件；因此，晶体的外延生长具有单向性，最终获得单轴同质外延生长的(UHG) ZJU-68晶体
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00376-7 包含从可见光到近红外的输出范围的多色单模偏振微激光器在光子集成电路和多模态化学传感或成像应用中具有重要的应用
然而，这种装置在实践中很难实现
在一份新的报告中，何华军和一个在新加坡、中国和美国的物理、材料科学和化学研究小组
S
，开发了具有多段的单晶，以产生受控的单模近红外激光
单晶的多个片段基于金属有机框架(MOF)，该框架与适合于计算模拟的绿色、红色和近红外激光的染料分子杂交
微晶中不同染料分子的分段组装使其充当缩短的谐振器，以实现具有低三色激光阈值(红色、绿色和近红外)的动态多色单模激光
这些发现将为探索生物光子应用的单模、微/纳米激光开辟一条新的途径
这项工作现在发表在《自然之光:科学与应用》上
金属有机框架多色单模偏振激光传感 多色单模偏振激光传感或成像是一种很有前途的诊断技术，有待于在实践中得到有效发展
不同的生物组织、细胞或生化物质对不同波长的光有不同的光学、热学和声学响应
因此，具有宽带多色输出的光源可以为多模态或多维感测或成像提供基础
光的偏振特性为处理富含生物材料的结构信息的散射信号提供了机会
单模微/纳米激光器可以满足小型化光子器件的必要应用；其包括高信息准确性、避免错误信号、以及插入不同光信号的干涉以实现不同细胞和分子的目标感测或成像
金属有机框架是由金属离子和有机桥联配体组装而成的周期性晶体材料，为克服多色微激光器的现有挑战提供了一个强有力的杂化平台
这种光滑规则的晶体结构可以有效地作为光学谐振腔来提供光学反馈
在这部作品中，何等人
演示了基于主体框架ZJU-68的不同染料分子的同时组装，以实现多色单模激光
宽带多色偏振单模激光可潜在地用于多模态生化传感和成像
这种独特的激光性能综合了宽带输出、偏振和单模激光的优点，通过染料组装的同质外延分级混合多晶结构微晶实现
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00376-7 染料组装多磺酸酯的合成与表征 MOF微晶包含各种染料分子，科学家们首先使用计算模拟来揭示材料的激射模式，以寻找可能的激射模式机制
研究结果为多色固态微激光材料的光子集成和生化传感或成像提供了一条新的途径
该团队控制了MOF晶体的单向生长，以在结构上组装不同的客体材料/染料分子，并合成了染料组装的分级混合金属有机框架
在合成过程中，首先，它们自组装锌离子(Zn2+)、有机连接体和染料分子，形成染料1
然后他们将得到的微晶浸入一种新的Zn2+反应溶液和一种含有不同染料分子的有机连接物中，形成染料2
对于第三步，他们重复第二步以获得三色分级混合微晶染料
该团队将三种不同的染料分子(缩写为DPBDM、DMASM和MMPVP)组合在一起，以获得不同类型的杂化MOF单晶
除了染料分子组装引起的颜色变化外，所有杂化单晶都保持了与纯形式的宿主ZJU-68骨架相同的六棱柱结构
组装的染料分别对应于浅黄色、品红色和紫色
研究小组对组装在ZJU-68分级微晶上的染料进行了粉末x光衍射，与模拟结果吻合良好
多色荧光和多色激光性能 UHG分级杂化ZJU-68微晶的合成与表征
UHG分级染料组装杂化ZJU-68微晶合成示意图
(b–I)zju-68(b)、ZJU-68⊃MMPVP (c)、ZJU-68⊃DMASM (d)、ZJU-68⊃DPBDM (e)、ZJU-68⊃DMASM + MMPVP (f)、ZJU-68⊃DPBDM + DMASM (g)、ZJU-68⊃DPBDM + MMPVP (h)和ZJU-68⊃DPBDM + DMASM + MMPVP (i)的光学显微照片；比例尺，10微米
ZJU-68和分级混合ZJU-68微晶的PXRD图形，表明分级混合ZJU-68微晶具有与ZJU-68相同的框架结构。应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00376-7 研究小组随后比较了染料组装的ZJU-68混合晶体的光致发光光谱
为了实现这一点，他们使用了一个带有480纳米激发滤光片的汞灯，并测定了绿色、红色和近红外发射峰
使用多通道共焦激光显微镜，何等
展示了具有三种染料的混合单晶如何与入射光和滤光器模块组合，用于分段激发和不同颜色的荧光信号输出
该方法防止了染料组装过程中聚集引起的猝灭效应，并有助于能量从短波长染料分子转移到长波长染料分子，以实现有效的多波长发射输出
科学家们在显微镜下进一步研究了包含三种染料分子的单个小混合晶体的激光特性
他们使用480纳米的激光束耦合到显微镜中，用光纤光谱仪收集光致发光信号
基于这些结果，何等人
将三色激光过程归功于六棱柱晶体的回音壁模式(WGM)机制
为了进一步了解六边形腔中的激光模式机制，他们使用COMSOL Multiphysics软件进行了光学模拟
他们注意到六个晶面的内部反射是模拟图的WGM机制的特征
UHG分级杂化ZJU-68微晶的荧光
在390纳米激发的单一ZJU-68微晶的荧光光谱
(b–h)在480 nm激发的单一分级混合微晶ZJU-68⊃MMPVP (b)、ZJU-68⊃DMASM (c)、ZJU-68⊃DPBDM (d)、ZJU-68⊃DMASM + MMPVP (e)、ZJU-68⊃DPBDM + DMASM (f)、ZJU-68⊃DPBDM + MMPVP (g)和ZJU-68⊃DPBDM + DMASM + MMPVP (h)的荧光光谱
插图:不同层次杂交ZJU-68微晶的荧光显微照片
比例尺，10微米
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00376-7 混合微晶的扫描激光性能 该团队可以同时激发两个晶体片段连接处的材料，通过实验获得明亮的绿色/红色或红色/近红外激光
独特的设置允许在微纳米空间中控制特定颜色或颜色组合的激光，用于不同的生物光子应用
到目前为止，科学家们在具有显著激光偏振的三色混合晶体中实现了三波长单模激光
通过排列这些染料分子的发射跃迁，何等
获得显著的发射各向异性(I
e
荧光团发射的光具有相同的强度)
这种各向异性多色激光发射结果对于生物化学传感或成像以及光学信号处理应用具有巨大的潜力
单个ZJU-68⊃DPBDM + DMASM + MMPVP分级混合微晶(r～1)中的单模激光
65微米)
(a–c)激光阈值附近的ZJU-68⊃DPBDM (a)、ZJU-68⊃DMASM (b)和ZJU-68⊃MMPVP (c)晶体片段的发射光谱
插图:ZJU-68⊃DPBDM (a)，ZJU-68⊃DMASM (b)和ZJU-68⊃MMPVP (c)晶体片段在480纳米(右)激发的显微照片，发射强度作为泵浦注量的函数，显示激射阈值约为0
zju-68⊃dpbdm 660 mj/cm2，~0
ZJU-68⊃DMASM为610 mJ/cm2，约为1
zju-68⊃mmpvp 72 mj/cm2(左)
比例尺，10微米
对于720纳米(d)、621纳米(e)和534纳米(f)模式，六角腔中的模拟电场分布(电场强度的平方)
信用:光:科学& amp应用，doi: 10
1038/s 14377-020-00376-7 通过这种方式，何华军和他的同事在金属有机框架(MOF)微谐振器上开发了一种主-客体混合过程中不同染料分子的分级组装
使用该平台，他们实现了多达三个波长的单模激光
分段组件控制微激光器的颜色输出，并解决不同染料分子之间能量转移的不利影响
三色单模激光工艺在单片结构中提供了从可见光到近红外的波长范围
这项工作简化了为多模态生物光子应用开发单模激光结构的过程
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