基于金属-有机框架主客体型复合材料的多光子泵浦偏振微腔激光

  • 博士生组 票数:776
  • 姓       名:何桦浚
  • 导       师:钱国栋
  • 成果类别:论文著作类
  • 院系(学园):材料科学与工程学院
团队介绍

        该项目成果由浙江大学材料科学与工程学院钱国栋教授团队联合中国科学院福建物质结构研究所陈学元研究员团队合作完成,第一完成人为钱国栋教授团队博士生何桦浚。钱国栋教授团队主要围绕金属-有机框架多孔功能材料及其相关应用开展研究,部分成果曾获2016年国家自然科学奖二等奖。

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科研心得

还记得当年本科阶段在通识核心课程上,竺可桢学院副院长陆国栋教授曾勉励我们敢于付出时说过这样的一句话:“有付出就会有收获,收获越晚,收获越丰盛。”科研路上离不开一次次的尝试,尝试是有风险的,并不是一定成功的。往往失败是常态,成功是那么个“瞬间”。而每当我在这探索路上遇到诸事不顺的时候,总会想起来当初听到的这句话,心情也跟随着沉静起来。

        可能是由于从小就喜欢组装和拆卸东西的缘故,我个人更偏向于陆游所言的“纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行”的行事风格。因而比起单纯从书本上获取知识,我更享受身体力行的过程,感觉这会让我理解起来深刻很多。我从大二春夏学期左右就开始进入实验室,在导师钱国栋教授的建议下,我先参加了一段时期的课题组组会报告,了解了课题组大致的研究方向以及研究问题时的一些思维逻辑。课题组所研究的金属-有机框架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一类由金属离子和有机配体共同构筑而成的新型多孔晶态材料。由于可供选择的金属离子和有机配体的种类繁多,这种材料具备极高的可设计性。而比较金属离子和有机配体这两个构建元素,有机配体本身就存在极高的可设计性。考虑到当时自己课余时间比较充裕,我就在想,我倒不如从头开始着手,从设计合成新的有机配体出发,进而获得新的属于自己的金属-有机框架材料。因为我觉得这样一来我可以尽可能地掌握必要的实验技能与流程,二来觉得亲手制备合成一个这世上原来没有的东西是一件很酷炫的事情(后来也发现还有一个好处是不太需要担心被抢发论文工作)。有了初步想法以后,我就开始设计有机配体的结构并且请教师兄师姐如何检索自己构思的结构是否是新的结构,以及相关合成策略、试剂购买等等步骤。在科研入门这一环节里面,我十分感谢郁建灿师兄,他教会了我很多必要的实验技能,以及在研究思路、关键问题解决等方面给了我很多的引导和帮助。我十分享受和师兄交流想法的过程,觉得每次交流都能激发出一些新的值得尝试的想法。因为并不是重复已有论文的工作,可供借鉴的资料极少,因此材料合成条件全靠一步步的摸索,一步步地更换条件。过程是挺让人纠结的,但最后在显微镜下看到一颗颗闪亮的晶型近乎完美的晶体时,内心是很激动的。通过单晶X射线衍射的手段获取晶体的结构以后,我发现这个晶体存在着亚纳米级别大小的一维孔道,这个尺寸级别跟分子的尺寸差不多。和郁建灿师兄讨论想法以后,我们觉得,如果在晶体孔道里面引入功能性的分子,很有可能会呈现出显著的各项异性表现行为,而这很有可能获得新颖的性能而在某个领域有所作为。经过很多次尝试-失败-再尝试以后,我们最后成功地将激光染料分子引入到晶体材料的孔道当中,并最终实现了高度偏振的激光输出。
        这是我的第一个研究工作,在MOFs杂化材料体系中首次实现单纵模的高偏振度微腔激射,当时其实自我感觉挺良好的,毕竟花了心血也不少,而且材料新颖,性能方面也不错。但后来曲折的投稿阶段的确给了我当头一棒。我们那时几乎把主流的著名期刊都投了一遍,然而最后都被拒了。当时自己的感觉是迷茫,怀疑自己工作的价值性。那时心态是有点消极的,觉得要不就随便投个期刊就好了完事了的感觉。在这个时候,我特别感谢导师钱国栋教授和陈邦林教授的鼓励,他们给了我很大的帮助,肯定了我工作的价值,给予了我继续思考尝试的信心。就在这时来了一个契机就是,郁建灿师兄要到物构所那边借用飞秒激光器,便让我带上我的材料样品陪同他一起做实验。而正是这个契机下,我们发现了我的材料在长波长的激光激发下,仍具有激光发射行为。经深入研究,最后在国际上首次获得了三光子泵浦高偏振度(大于99.9%)的固态微腔激光输出,成果发表在Nature子刊Nature Communications (2016, 7:11087)。
        从工作开始到最后文章发表历时将近三年,陈邦林教授曾对我说过,这工作是我科研道路上可以称作像标杆一样的存在。是的,并不在于工作最后发表何处,而是完成这工作背后我自己所经历的,正是科研的常态。路漫漫其修远兮,吾将上下而求索。

成果简介

高有序度的自组装材料实现高偏振度的多光子泵浦微腔激光


与单光子泵浦激光相比,多光子泵浦激光的激发波长位于长波波段,对生物组织的穿透性强、光学损伤小、空间选择性高。具有高偏振度的多光子泵浦激光由于兼具偏振光和多光子泵浦激光的优势因而在生物光子学领域有着重要的应用前景。然而,由于现有激光增益材料难以同时满足大的多光子吸收截面和激射效率以及高度一致的取向性等要求,至今尚无法获得高偏振度的多光子泵浦微腔激光。     

针对这一国际难题,材料学院博士生何桦浚与合作者创造性地提出采用有序取向的微孔金属-有机框架材料,通过主客体自组装的策略,实现了有机激光染料在有序微孔中的高度有序封装,得到复合微腔激光介质,利用框架材料单晶的天然晶面作为谐振腔的反射镜面,在国际上首次获得了三光子泵浦高偏振度(大于99.9%)、高品质因子Q 值(1700)的微腔激光输出。该研究思路为新型微腔激光材料和器件的制备提供了崭新的设计思路和实现途径,并有望应用于生物医学光子学及超分辨成像等领域。相关成果“Polarized three-photon-pumped laser in a single MOF microcrystal”已发表于Nature子刊Nature Communications (2016, 7:11087),该论文的第一作者为材料学院博士生何桦浚。      

该成果入选“2016中国光学重要成果”。“中国光学重要成果”评选活动已连续举办11届,得到了国内各高校和科研院所的高度重视和积极参与,在国内光学领域具有重要的学术声誉和影响。此外,该成果还获得中国化学会第30届学术年会优秀墙报奖。该论文发表后,引起了国内外学术同行的高度关注和跟进研究,在不到1年时间即已入选ESI高被引论文(前1%论文)。

成果简示图

实验数据