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ZJU-68晶体沿单轴同质外延(晶体的一种生成方式，即采用与目标产物相同的衬底材料生长单晶生长过程简图。
图片来源：Light: Science & Applications, doi: 10.1038/s46-7
输出范围覆盖可见光到近红外光的多色、单模偏振微型激光在光电集成、多模化学传感和成像领域很重要。然而，这样的设备大多停留于纸面且难以实用。在一项新的研究报告中，Huajun He和一支由新加坡、中国和美国的物理、材料和化学专业技术人员组成的研究团队，开发出一种由多组分构成，还可以产生可控单模近红外(NIR)激光的单晶。构成单晶的多种组分均生长在一种混合了能够产生红、绿及近红外激光的染料分子的金属-有机框架（MOF）上。微晶中不同染料分子的分段组合类似于一个小型谐振，并能够在更低的三色激光（红、绿和近红外）阈值下合成动态的、多色单模激光。这一发现将为基于MOF的单模、微型/纳米级激光在生物光子领域的应用打开新的篇章。此研究当前发表于《光：科学与应用》。
多色单模偏振激光传感与成像是一种很有潜力的诊断技术，其实践应用仍待有效开发。不同的生物组织、细胞和生化试剂暴露在不同波长的光照下会产生不同的光学、热学和声学响应。因此，具有宽频、多色输出特性的光源是多通道或多维传感、成像的基础。光的偏振特性为处理由生物材料中丰富的结构信息产生的散射信号提供了可能。单模微型/纳米级激光能够很好的满足小型光电设备的应用需求，包括生成高精度信息、规避伪信号和调节参数设置不一样光信号间的相互干扰，以此来实现对不同细胞和分子的传感或成像。
金属有机框架（MOFs）是一种由金属离子和有机桥联配体组装的周期性晶体材料，它可提供一个强大的混合平台以克服目前多色微型激光中存在的困难。MOF光滑而规律的晶体结构类似于高效的光学共振器并提供光学反馈。He等人在他们的工作中演示了以ZJU-68框架为基础，实现同时组装不同的染料分子并产生多色单模激光。
宽频、多色、偏振、单模激光可能用于多通道生化传感和成像。由染料组装的分层、同质外延混合MOF微晶产生的激光兼具宽频输出、偏振和单模激光的优点。图片来自： Science & Applications, doi: 10.1038/s46-7MOF微晶包含多种染料分子，研究人员首先借助计算机仿真揭示材料的激光模态，以探索可能的激光模式机理。他们发现了一种将多色、固态微型激光材料用于光电集成和生化传感与成像的新思路。He的团队操控MOF晶体沿单一方向生长，从而在(金属-有机)框架上组装不同的材料或染料分子，最终合成一种组装了染料的分层混合金属有机框架。合成过程中，他们第一步将锌离子(Zn2+)、一种有机偶联剂和一种染料分子自组装在一起合成染料1；接着，他们将上一步得到的微晶浸入一种由锌离子、有机偶联剂和不同的染料分子组成的新的反应溶剂中，并合成染料2；第三步，他们重复第二步并最终得到一种三色、分层、混合微晶染料。该团队将三种分别缩写为DPBDM、 DMASM 和MMPVP的染料分子组合在一起，得到不一样的混合MOF单晶。所有的混合单晶都保持和纯净的ZJU-68框架相同的六方柱结构，仅因组装了染料分子而呈现出颜色差异。组装的染料分子分别为亮黄色、品红色和紫色。该团队生成了组装在ZJU-68分层微晶上的染料的X射线粉末衍射图谱，与模拟值吻合得很好。
UHG分层混合ZJU-68微晶的合成与表征。图片来自: Science & Applications, doi: 10.1038/s46-7该团队随后比较了组装在ZJU-68混合晶体上的染料的荧光光谱。他们使用一种含480纳米激发滤光片组(在荧光显微镜中，仅允许波长480纳米的激发荧光通过的滤光片)的水银灯来得到该光谱，并确定了绿光、红光和近红外光的发射波峰。借助多通道共聚焦激光显微镜，He等人揭示了含有三种染料的混合单晶与入射光及滤光模块联合，并分段激发从而输出不同色彩的荧光信号的物理过程。该过程阻止了染料在组装过程中因聚合导致的淬火效应，并帮助能量由短波染料分子转移到长波染料分子，最终输出高效的宽频带信号。研究人员在显微镜下进一步研究了含有三种染料分子的一种小型混合晶体的激光性能。他们组合使用显微镜和配备480纳米激光脉冲的光纤光谱仪来收集荧光信号。He等人基于观测结果，将三色激光过程归因于六方柱晶体的回音壁模式(WGM, 在光学上，指光束被约束在具有旋转对称特性的几何结构边界内的现象)。为进一步理解六方微腔的激光模式机理，他们使用COMSOL Multiphysics软件进行了光学仿真，并指出其内部六个晶体面的反射正是仿真图像中WGM机理的特征表现。He的团队能够将位于两种晶体组分结合处的材料同时激发，并得到亮绿色/红色或红色/近红外激光。这种独特的设置使得微纳米空间中操纵多色或单色激光成为可能，能满足于生物光子领域的多种应用。迄今为止，研究人员利用有着非常明显激光偏振特性的三色混合晶体得到了三种波长的单模激光。He等人将这三种染料分子进行排列组合，实现了明显的发光各向异性（比如：由不同荧光团释放的光强相同）。这样的各向异性多色激光非常有潜力用于生物化学传感、成像以及光信号处理。通过这一种方式，Huajun He及其同事在一个金属有机框架(MOF)微型谐振器上分层组装了不同染料分子。基于此，他们获得了三种波长的单模激光。不同的组分决定了微型激光的颜色输出，同时克服了能量在不同染料分子间转移带来的不利影响。三色单模激光在整体结构上覆盖了可见到近红外光的波长范围。这项工作简化了用于多通道生物光子的单模激光结构开发过程。
