蓝相液晶(BPLCs)激光以其低的激光阈值、多刺激响应、多方向性发射及实时的可重构性等特点，在传感、显示及防伪等方面有着巨大的应用前景。目前，蓝相液晶激光器的研究包括在外界刺激下（如：光、电、热、力等）激光波长的可调节性，而由于BPLCs本身窄的温度窗口使得对宽温域BPLCs激光器的研究也受到了越来越多的关注。聚合物稳定体系的采用已成功的将BPLCs温域扩宽至500℃，这也导致相应BPLCs激光温域的扩宽。然而，相比于其它有机激光器，低温下BPLCs中流动相小分子的随机结晶及染料与体系间差的相容性，使得BPLCs激光器在0℃以下的激光发射还存在挑战。并且，低温下的BPLCs激光的工作机理尚不清楚。这严重限制了BPLCs激光器在极地、深海、太空等其它低温环境下的潜在应用。因此，设计合适的BPLCs体系以满足良好的体系相容性和低温防冻性对低温BPLCs激光器的发展十分重要。

为解决上述问题，中国科学院理化所仿生材料与界面科学中心江雷院士、王京霞研究员团队在前期工作中制备得到了具有宽温域（-190℃~360℃）的聚合物稳定蓝相液晶 (Nat. Commun.2021, 12 (1), 3477.)；通过调节所制备的蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量，在染料掺杂蓝相液晶(C6-BPLCs)谐振腔中实现了可控的一至四模面发射激光（Adv. Mater.2022, 34 (9), 2108330.）；利用所制备的蓝相液晶为模板，制备得到了高分辨的多色彩蓝相液晶活图案(Adv. Funct. Mater.2022, 32 (15), 2110985.)；并通过调控蓝相液晶的聚合物含量，得到性能优良的蓝相液晶聚合物支架体系，将BPLCs激光温域扩展至25~230 ℃（Adv. Mater.2022, 34 (47), 2206580.）。

近日，该研究团队通过合理的体系选择及设计，采用全聚合方法降低低温下液晶小分子的随机结晶及选择链柔性的液晶单体（RM105）和染料分子（DCM）来提高体系的相容性，成功实现了0℃以下宽的激光温域（-180~240 ℃）。研究表明，该全聚合物BPLCs由于好的体系相容性，展现出窄的激光线宽（0.0881 nm）和低的激光阈值（37 nJ/pulse）；同时，全聚合体系增加了样品的光热稳定性，包括足够的反射/荧光信号，合适的量子产率及荧光寿命，匹配的反射光谱和荧光光谱，稳定的BPLCs织构和高的分解温度，使得样品在-180~240 ℃中发射激光。此外，首次揭示了低温下（<0 ℃）BPLCs激光波长及阈值的变化规律，即红移的激光波长和随温度下降增加的激光阈值，使得样品在-180~240 ℃中激光波长红移，激光阈值呈“U”型。这些独特的激光行为与BP晶格随温度各向异性的形变（-180~0 ℃：沿(110)方向收缩的BPI晶格; 0~26.7 ℃：几乎不变的BPI晶格; 26.7~240 ℃：沿(110) 方向加速膨胀的BPI晶格）有关。这项工作不仅开启了低温BPLCs的大门，也对新颖有机光学器件的设计提供了重要见解。

相关研究结果以Super-wide Temperature Lasers Spanning from -180 °C to 240 °Cbased onFully-polymerized Blue Phase Superstructures为题发表在Advanced Materials上。

该文章通讯作者为中国科学院理化所王京霞研究员。中国科学院理化所博士生陈雨洁为第一作者。理化所李敬老师和金峰老师为相关蓝相液晶的激光表征提供帮助， 复旦大学物理学系石磊教授为相关蓝相液晶光子带隙的表征提供帮助，中国科学院理化所江雷院士为本研究提供了专业指导和帮助。

该研究得到了国家自然科学基金项目和中国科学院荷兰研究项目的支持。

原文链接： https://doi.org/10.1002/adma.202308439

图1. 全聚合BPLCs的化学结构和表征。a）掺杂染料全聚合样品所用的物质的化学结构式；b）-180~240 ℃激光温域内，样品显微结构变化的示意图；c）TEM图；d）Kossel图；变温e）反射光谱和f）荧光光谱，-180 ~ 240 °C；g）激光波长与温度的关系；h）本工作与文献中蓝相液晶激光器工作温域的比较。

图2.该全聚合物体系与其它体系的性能对比及染料相容性测试。a）激光温域对比；b）室温下激光阈值对比；c）POM下染料溶解度测试c₁）90.0 mg RM105 + 4.5 mg DCM；c₂）90.0 mg C6M + 4.5 mg C6，120 ℃下。说明DCM与RM105有着更好的相容性。d-f）内聚能密度（CED）理论计算，实验体系：RM105+RM257+DCM；对照体系：C6M+C6。实验体系比对照体系更大的CED和溶解度参数（δ），表明该全聚合物体系比C6M+C6体系有着更好的相容性。g）DSC图，全聚合物样品仅存在一个玻璃转化温度（T_g=26.7 ℃）；而25 wt%聚合度样品不仅存在Tg（-42.94 ℃），还存在结晶峰（T_c= -24.95 ℃）和未聚合组分的相变峰（T_BP= 77.35 ℃）。

图3.全聚合物样品的激光性质。a-b）发射光谱，-180~240 ℃；c-d）室温下激光的FWHM；e）室温下的激光阈值；f）阈值与温度的关系，呈“U”型。

图4.全聚合物样品的光热性能分析。a）热重分析；b-d）原位变温XRD；e）不同温度下反射峰和荧光峰的相对位置关系；f）反射中心波长/反射强度与温度的关系；变温g）量子产率及h）荧光寿命；i）原位变温POM图；j）原位变温角分辨光谱（反射模式）。

图5.全聚合物样品变温过程中的原位Kossel变化。a) Kossel图；b）Kossel图/BP晶格随温度变化的图示；c）Kossel中心圆环半径（R）及反射中心波长（λ）与温度（T）的关系。

图6.全聚合物样品变温过程中微结构的变化及其它激光性质。a) BP晶格在不同温度下的变化. a₁)沿(110)收缩的BPI晶格; a₂)几乎不变的BPI晶格; a₃) 沿(110) 方向加速膨胀的BPI晶; b) x、y和z三个正交方向上激光发射，泵浦能量: 0.205 μJ/pulse; c) 激光的偏振性测试，L/RCP: 左/右圆偏振光, 泵浦能量: 0.205 μJ/pulse。