蓝相液晶实现面发射多波长激光多色激光器在波分复用通信、高灵敏度光学传感器、医疗诊断、激光显示、精密光谱等领域具有重要应用。目前，三波长或四波长激光仅在谐振器中实现，包括Fabry-Perot腔、回音壁模式微腔光纤或复杂的异质结构。然而，大多数谐振器产生边发射激光，导致对面发射多波长的研究缺乏。
蓝相液晶（BPLCs）是一种性能优异的光子晶体，具有高反射率，窄带隙，高度有序的立方晶格和相形成无需取向层等优势，在新型光子器件的制备领域展现出很大的潜力。2021年6月，中国科学院理化技术研究所江雷院士团队的王京霞研究员联合华东理工大学郑致刚教授等人报道了在染料掺杂BPLCs的相变过程中可实现面发射单模激光（Nat. Commun. 2021, 12, 3477.）。因此，表面发射三波长和四波长激光有可能在BPLCs 中实现，并且可以系统地研究相关机制。
基于此，中国科学院理化技术研究所江雷院士、王京霞研究员和金峰高级工程师报道了利用窄带隙蓝相液晶禁带附近的谐振模式，在染料掺杂蓝相液晶(C6-BPLC)谐振腔中实现面发射一至四波长激光激射。该工作以题为“Single-, Dual-, Triple, and Quad-wavelength Surface-emitting Lasing in Blue Phase Liquid Crystal”发表在《Advanced Materials》上。
【C6掺杂自支撑多畴BPI薄膜的制备与表征】
为了构建表面发射多波长激光器，BPLC 的一个子阶段 BPI （蓝相第一阶段）被用作分布式反馈谐振器。C6作为一种有机激光染料被掺杂在BPI基质中，自支撑BPI薄膜的制作过程如图1A所示。图1C展示了与图1B（聚合后的染料掺杂多畴BPI的偏光显微镜(POM)图像）自支撑C6- BPLCs薄膜对应的TEM图像。C6掺杂的BPLC薄膜的纹理和微结构都通过光聚合很好地固定，可用于进一步表征。图1D通过λc的相对位置调控置于液晶盒中C6-BPLC薄膜的单波长、双波长、三波长和四波长激射行为。
图1. C6掺杂自支撑多畴BPI薄膜的制备方法、光学性质、显微结构和激光性质
【双波长激光光谱研究】
当自支撑C6-BPLC薄膜的带隙与C6荧光峰的范围重叠时，可以实现双波长激光（图2）。这里，双波长激光，其中高能带边缘模式和低能带边缘模式同时运行（相似的阈值），预计将发生在独立的C6-BPLC薄膜中，λc位于C6荧光峰的长波长边缘。结果，高（524.3 nm）和低能（538.6 nm）带边激光在自支撑C6-BPLC膜中同时运行，λc为530.1 nm（图2B）。双波长激光器的相对阈值由λc和λC6之间的位置关系控制。当λc位于519.4到530.1 nm范围内时，低能带边缘模式的阈值低于高能带边缘模式的阈值；当λc接近530.1 nm时（图2B），低能和高能带边激光具有相同的阈值和相似的斜率，泵浦能量增强；当λc在530.1到549.8 nm范围内时，低能带边缘模式的阈值高于高能带边缘模式（图2C-D）。
图2. 双波长激光光谱，两个激光峰的阈值以及激光峰与荧光峰和反射峰的相对位置
【C6-BPLC薄膜的三波长和四波长激光特性】
为了在C6-BPLC中实现三波长和四波长激光，通过保留所制备的聚合物稳定的C6-BPLC薄膜构建了高质量的腔。在C6-BPLC薄膜中，除了在519.83和534.02 nm的两个激光峰（λc为 525.5 nm），第三个激光峰（中心在 540.76 nm）被观察。此外，对于λc为523.8 nm的样品(图3B)，529.50和532.72 nm两个激光峰位于低能带边缘，观察到一个518.58 nm的激光峰位于高能带边缘。当样品的λc移至530.4 nm时，可以观察到四波长激光的四个激光峰具有相似的阈值（图3C），其中两个位于519.96和524.89 nm对应于高能带边缘模式；而另外两个激光峰位于534.93 和545.16 nm，对应于低能带边缘模式。此外，观察到λc为534.0 nm 的三波长激光，显示位于523.22和527.93 nm 的两个高能带边模激光峰和位于537.29 nm的一个低能带边模激光峰（图3D）。
图3. 置于液晶盒中的C6-BPLC薄膜的三波长和四波长激光特性
【三波长和四波长激光的实现】
三波长和四波长激光的实现需要满足以下条件: (i) 需要合适的λc (≥523.8 nm)，从而使C6-BPLC薄膜在禁带附近有四种荧光谐振本征模式。当λc≤523.8 nm时，高能量和低能带边的两种荧光共振本征模相互重叠，无法有效区分。(ii) C6-BPLC薄膜应保存在液晶盒中，避免自支撑薄膜弯曲、扭转和拉伸导致的晶格变形。(iii) λc应小于543.2 nm，保证至少有三种共振模式可被C6荧光峰覆盖以获得足够增益。(iv)需要染料分子在液晶体系中具有低的有序度参数，以保证高能带边和低能带边阈值接近。(v)泵浦光的功率密度应强到足以使三个或四个谐振模式有足够增益产生激光。
图4. 液晶盒中C6-BPLC薄膜的三波长和四波长激光特性总结
总结，作者实现了在蓝相液晶中一到四波长激光器的可控制备，并系统研究了蓝相液晶带隙中心、染料有序度参数、谐振腔质量以及泵浦光能量对多波长激光器制备的影响。同时，使用时域有限差分计算方法，证明了多波长激光实现的机理，即利用了窄带隙蓝相液晶禁带附近的谐振模式。这些研究成果将促进面发射多波长激光器的制备，并为基于蓝相液晶的新型光子器件的设计和构筑提供更多可能性。