近日，中国科学院理化所王京霞研究员及其团队在蓝相液晶激光领域取得重大突破，成功解决了0℃以下的激光发射难题，使蓝相液晶激光实现了前所未有的超宽温域，最低工作温度可至-180℃，最高可达240℃。这一研究成果不仅为低温蓝相液晶激光器的研发开辟了新的道路，也为新型有机光电器件的设计提供了重要启示。
王京霞研究员领导的团队（如图所示）通过不懈努力，成功打造了一款适应各类极端温度环境的蓝相液晶激光器，包括极地、深海、航空航天等低温场景以及沙漠、军事空间活动和冶金高温环境。此外，利用蓝相液晶独特的柔韧特性，该团队有望将其应用于电影幕布、柔性激光显示面板和可穿戴激光显示器件中，并通过设计与编码技术，开发出具有激光防伪功能的信息传输标签。更为引人注目的是，基于蓝相液晶激光的圆偏振性发射特性，若结合特定光场设计方案，未来有望实现裸眼3D激光显示技术。
长久以来，蓝相液晶因其独特的三维周期性结构及优异的光学性能，在新型柔性光电子器件领域展现巨大潜力。然而，受限于较窄的工作温度窗口（通常仅2-3℃），蓝相液晶激光器的实际应用范围受到严重制约。尽管聚合物稳定蓝相液晶技术在一定程度上拓宽了其温度窗口，但如何实现在0℃以下稳定发射激光仍是一大挑战。
在长达六年的研究过程中，王京霞课题组聚焦蓝相液晶在激光应用上的关键问题。自2019年起，博士生杨佳佳经过两年多潜心研发，创造出一款可在-180℃至350℃宽温域工作的蓝相液晶膜；研究生刘捷随后发现该材料展现出低阈值、高品质激光激射特征，并在此基础上对蓝相液晶的相变过程进行原位表征，进一步实现激射模式从单模到四模的精细调控。
针对审稿人的意见与建议，课题组深入探索影响蓝相液晶激光温域的关键因素。博士生陈雨洁和郑成林的研究揭示了调控可聚合组分比例对于实现宽温域蓝相液晶激光的重要性，尤其是在0℃以下无法实现激射的问题上取得了重大突破。
研究团队推测，蓝相液晶激光温域较窄的原因可能在于其较低的可聚合组分含量导致结构稳定性不足。为此，他们将可聚合液晶单体含量提升至30wt%，构建稳定的聚合物支架结构，从而将激光温域拓宽至25-230℃。在低温环境下，流动液晶小分子的随机结晶是阻碍蓝相液晶激光发射的主要难点。
为了攻克这一难题，他们精心设计了一系列掺杂香豆素6染料、以C6M为可聚合液晶单体的蓝相液晶体系，期望通过全聚合样品改善低温下的激光发射性能。面对低温下样品表面结霜导致激光信号难以采集的问题，他们创新性地采用真空密闭装置，有效防止了低温样品结霜对激光信号的影响。经过大量实验和对比分析，研究团队发现不同聚合度的C6M+C6体系并未随着聚合度增大而显著扩宽低温激光温域。最终，通过对不同液晶单体和激光染料组合的筛选，他们确定了RM105:RM257质量比为3:1的液晶单体体系和DCM染料作为优选方案，成功制备出了激光温域达到惊人的-180℃至240℃的蓝相液晶激光器，并首次揭示了0℃以下蓝相液晶激光发射行为及其温度依赖特性。
这项研究成果以《基于全聚合蓝相上层结构的180~240℃超宽温度激光器》为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上，陈雨洁博士生为第一，王京霞研究员担任通讯。同时，理化所金峰副研究员、李敬高级工程师在激光测试方面给予大力支持；复旦大学物理学系石磊教授协助完成了蓝相液晶光子带隙的表征工作；江雷研究员在整个课题研究过程中提供了关键指导与帮助。
展望未来，研究团队将继续总结不同蓝相液晶体系的激光温域和阈值规律，完善宽温域蓝相液晶激光器的设计策略。此外，他们还计划探索提高激光器寿命的途径，例如采用更稳定的增益介质或叠层器件结构，同时还将充分利用蓝相液晶激光的圆偏振特性，开发诸如复杂图案激光显示和高级激光加密等创新应用。这项科研突破无疑为蓝相液晶激光器的应用开启了全新的可能性，预示着广阔的应用前景。
