《Dyes and Pigments》：High-Performance PM567-Doped PMMA/E7 composites Random Lasers Enabled by Periodically Patterned Sapphire Substrates for Speckle-Free imaging
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本研究采用周期性蓝宝石基底（PSS）与PMMA/E7液晶复合材料，掺杂PM567染料构建随机激光系统，显著降低阈值至0.52 mJ/cm2，实现高-quality factor（2846）和窄线宽（0.2 nm），SNR达23.37，为生物成像和光电器件提供新方案。
宋天伟|张嘉荣|冉子辉|徐彩霞|肖正国|吴柳|徐龙
中国重庆市西南大学物理科学与技术学院微纳结构光电子学重点实验室，重庆 400715
摘要
由于染料掺杂聚合物液晶（DD-PDLC）随机激光器具有低空间相干性、多波长激光发射和全向光输出等独特特性，它们在无散斑激光成像、非偏振柔性显示器、生物研究和光学传感领域展现出巨大潜力。然而，仍存在一些挑战，如高激光阈值、薄膜均匀性差以及稳定性不足等问题，这些问题主要源于荧光淬灭和染料聚集导致的增益降低、长时间激发下的光漂白，以及液晶排列和聚合物网络结构控制不力，这些因素会导致纯液晶系统中的光散射不稳定。本研究提出了一种针对PM567掺杂的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）/E7液晶复合材料的随机激光器的系统优化策略，通过使用具有周期性微结构的图案化蓝宝石基底（PSS）来提高反馈效率，实现了2846的品质因数、约0.2纳米的窄线宽以及0.52 mJ/cm2的极低阈值。作为一种无散斑随机激光源，其信噪比（SNR）达到了23.37，比泵浦脉冲激光器（SNR = 1.41）提高了16倍，比白光源（SNR = 4.57）提高了5倍。这些进展为随机激光器在高分辨率无散斑生物成像和下一代光电子设备中的实际应用奠定了基础。
引言
随机激光器因其独特的性质和广泛的应用而受到关注，包括无散斑激光成像[1]、随机密钥生成[2]以及生物医学和光子学应用[3, 4, 5, 6]。自Letokhov在1968年首次报道随机激光行为[7]以来，由于其结构简单[8]、低空间相干性[9]、无需共振腔[10]以及在多个空间维度上的可扩展性[11, 12, 13]，这些系统得到了广泛研究。多年来，研究人员已在各种介质中成功实现了随机激光发射，包括氧化锌和氧化铜等半导体粉末[3, 14, 15]、天然生物材料（如皮肤和肿瘤组织）[6, 16]、掺杂银或金纳米粒子的染料聚合物薄膜[17, 18, 19]、掺杂氮化钛（TiN）纳米粒子的染料液晶[20, 21, 22, 23]、含有Burr状Ta?O?/Ag复合纳米粒子的染料聚合物基质或增益溶液[24]、Au/石墨烯混合结构[25]以及静电纺丝纤维[26]。氧化锌作为一种宽带隙半导体，由于其高折射率和低吸收系数[27, 28, 29, 30, 31]，表现出优异的光散射性能。其高激子结合能使得在室温下激子复合稳定，为随机激光器提供了足够的光学增益。此外，光在其无序粉末结构中的局域化[32]延长了光传播路径并增强了光与物质的相互作用。然而，仍存在一些挑战，例如颗粒大小不均匀性导致散射无序，以及热导率低导致热量积累和增益降低，从而影响激光性能。生物组织具有从纳米到微米级别的无序周期性结构[33]，这使得它们具有低能量多光散射的优势，从而无需复杂的人工散射介质或精密腔体制造，显著降低了制造复杂性和成本。然而，它们的光学性质对温度和pH值等环境因素非常敏感，这对持续激光输出和系统稳定性构成了挑战。另一方面，金和银纳米粒子表现出表面等离子体共振（SPR）效应[34, 35, 36, 37]，能够实现局部场增强并放大电磁场强度，从而增强光与物质的相互作用并提供较大的有效散射截面。当基于液晶的复合材料的 Photonic 共振机制与分子增益水平对齐时，外部场可以调节分子取向和散射特性，从而实现激光模式、光谱输出和阈值的精确控制，优化宽带或可重构的光学性能[38, 39]。然而，分子聚集或材料系统内的不均匀分散仍然是一个关键挑战，这些问题会降低散射均匀性和相位分布的随机性，最终导致激光模式稳定性降低、散斑对比度异常或偏振特性恶化[39]。尽管在随机激光研究方面取得了显著进展，但仍存在一些挑战，包括高阈值、输出参数的可调性有限、光束整形和相干性控制困难，以及在高泵浦条件下的非线性损耗加剧（例如热淬灭和光降解）。此外，长期稳定性和实际应用的相关问题仍未解决。为了解决这些问题，已经开发了将液晶与光子晶体或超材料结合的混合系统，实现了对激光参数的精确控制[40, 41]。同时，还采用了封装技术来保护液晶免受外部影响，而反馈机制则有助于激光性能根据环境变化进行自主调节[42]。尽管如此，激光阈值仍然较高，薄膜散射的均匀性问题尚未得到充分解决。
在这里，我们提出了一种使用具有周期性阵列结构的图案化蓝宝石基底（PSS）来制备染料掺杂聚合物-液晶（LC）复合薄膜的方法，以实现多模随机激光发射。该研究系统地研究了LC和染料浓度对随机激光特性的影响。实验结果表明，在PSS基底上，随机激光阈值降低了约50%，最小阈值达到了0.52 mJ/cm2。激光器具有窄半高宽（0.2 nm）和高品质因数（2846），并且在长时间泵浦下保持了强度和稳定性。应用测试显示其在无散斑成像方面的潜力，信噪比（SNR）为23.37，比传统脉冲激光器（SNR=1.41）和白光源（SNR=4.57）分别提高了16倍和5倍。这项研究介绍了一种优化随机激光性能的新方法，为推进无散斑成像技术提供了关键见解，有助于在医学诊断、工业质量控制和光通信系统中实现高质量成像和高效传感，解决了精度和可靠性方面的挑战。
材料制备与表征
聚合物-液晶复合薄膜的制备过程如图1a所示。首先在甲苯（TOL）溶剂中按特定质量比共分散聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）、液晶E7和染料PM567，形成多组分混合物。每个实验组分的组成见表1。然后在40°C和1200 rpm下磁力搅拌，形成均匀稳定的前驱体溶液。
结果与讨论
首先研究了ITO基底样品的随机激光特性。图2显示了样品的发射光谱、强度和半高宽（FWHM）随泵浦功率密度的变化情况。在低泵浦功率密度下，发射光谱（图2a-c和2g-i）呈现一个宽峰，线宽约为10 nm，且强度随泵浦功率的增加而略有增加。当超过激光阈值时，会出现离散峰。
结论
本研究通过用周期性图案化的蓝宝石（PSS）替代传统的ITO玻璃基底，研究了PM567掺杂的PMMA/E7复合随机激光系统的性能提升。PSS独特的周期性微纳结构实现了高效的光场调制和散射反馈，显著改善了随机激光特性。具体来说，激光阈值降低到了0.52 mJ/cm2，PM567浓度为1%时，相比基于ITO的基底提升了50%
实验方法
材料。所使用的薄膜样品由以下成分制备：吡罗 methene-567染料（PM567，Damas-beta，纯度98%，分子式见图6）、液晶E7（由4-氰基-4'-戊基联苯（5CB，Bidephofm，纯度99.72%）、4-庚基联苯-4-氰酸酯（7CB，Bidephofm，纯度99.97%）、4'-(Octyloxy)[1,1'-联苯]-4-氰酸酯（8OCB，Bidephofm，纯度98%）和4''-n-戊基-4-氰基三苯（5CT，Bidephofm，纯度97%）、聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA，Energy Chemical，纯度98%）以及甲苯
CRediT作者贡献声明
冉子辉：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、软件使用、实验研究、数据管理。张嘉荣：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法学研究、实验研究、数据分析、数据管理。宋天伟：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、验证、实验研究、数据分析、概念构思。徐龙：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化
数据可用性
本文所呈现的结果数据目前尚未公开，但可根据合理请求向作者获取。
资助
本工作得到了重庆市自然科学基金（项目编号CSTB2023NSCQ-MSX0807和CSTB2024NSCQ-MSX0994）、中央高校基本科研业务费（项目编号SWU-KU24004）、重庆市教委科技研究计划（项目编号KJQN202500522）、贵州省基础研究计划（自然科学）（项目编号ZK [2023]049和MS [2025]098）以及贵州省教育科技创新团队的资助
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
