標題 | 基於(yu) 多激發態智能響應的有機微激光，實現高安全性的光加密

完成單位 |中國科學院光化學重點實驗室

概述

中國科學院光化學院重點實驗室趙永生教授團隊，致力於(yu) 有機納米光子學材料與(yu) 器件的研究長達十年之久。通過研究體(ti) 係的激子動力學等物理化學過程對材料光子學功能的影響和調控機製，為(wei) 解決(jue) 電子作為(wei) 載體(ti) 在信息處理等方麵麵臨(lin) 的瓶頸問題提供新思路。重點關(guan) 注具有特定光子學功能的有機-無機低維複合材料與(yu) 器件的可控製備新方法，材料與(yu) 器件體(ti) 係中的激子物理化學過程等基礎科學問題，以及基於(yu) 新的科學問題在功能元件和器件單元中對光子信號進行操控和處理。基於(yu) 多激發態智能響應的有機微激光的輸出控製致力於(yu) 高安全性光加密，相關(guan) 研究成果於(yu) 2020年7月發表於(yu) National Science Review，題目為(wei) ：“Smart responsive organic microlasers with multiple emission states for high-security optical encryption”。

研究背景

現代高安全性密碼學和光通信的發展，要求實現高編碼容量和有效身份驗證的位序列轉換。而隨著光信息技術的蓬勃發展，如何利用光信息技術實現高密度和強安全性的加密變為(wei) 亟待解決(jue) 的關(guan) 鍵性問題。其中，一個(ge) 有效增加信息安全性和擴大存儲(chu) 密度的方法是利用允許多個(ge) 狀態迅速切換的智能響應的光致發光材料。與(yu) 靜態光學材料相比，智能響應型光致發光材料在外界刺激下會(hui) 輸出不同的光學信號，使得智能響應型光學材料更難被仿製與(yu) 竊取。然而，大部分的智能響應的光致發光材料隻能夠提供有限的發光狀態，加密的安全性無法得到保障，高存儲(chu) 密度、高信號識別能力的微觀器件仍待發展。

技術突破

本文創造性地利用了有機染料中供體(ti) 的受激發光速率與(yu) 熒光共振能量轉移速率之間的競爭(zheng) ，由受、供體(ti) 產(chan) 生的激光信號之間的相互競爭(zheng) 使得輸出的激光進行可逆的調控，進而實現對多種狀態的激光輸出進行調製。也就是當供體(ti) 受激到高激發態之後，會(hui) 迅速降至更加穩定的第一激發態，這期間有兩(liang) 條主要路徑可供選擇，一是供體(ti) 分子輻射至基態，速度為(wei) Kr,二是熒光共振能量轉化被受體(ti) 吸收受激輻射速度為(wei) KET，這兩(liang) 種速率之間的競爭(zheng) 機製，使通過改變泵浦條件，實現同一個(ge) 摻雜諧振腔中多種激發態的精確調控成為(wei) 可能。

作者采用了微乳液自組裝的方法，構建出摻雜有激光增益分子的高品質回音壁模式的微球複合諧振腔，如圖1(a)所示。在泵浦能量較低時，熒光共振能量轉化被受體(ti) 吸收受激輻射速度(KET)高於(yu) 供體(ti) 分子受激輻射的速率(Kr)；當繼續增大泵浦能量，兩(liang) 者速率基本相同實現受、供體(ti) 同時受激輻射形成雙重激光信號；當泵浦能量達到某一值，熒光共振能量轉化被受體(ti) 吸收受激輻射速度(KET)低於(yu) 供體(ti) 分子受激輻射的速率(Kr)，則僅(jin) 有供體(ti) 的受激激光存在。

圖1 智能響應的微激光器供、受激光隨泵浦能量的競爭(zheng) (a)單個(ge) 微球在400nm泵浦下的激光機製示意圖；(b)單個(ge) 微球在不同泵浦能量下的光譜圖；(c)相對應的不同泵浦能量下單個(ge) 微球的實況圖；(d)單個(ge) 微球在不同泵浦能量下激光能量示意圖。

作者進一步調控供、受體(ti) 的不同濃度比例，通過調整泵浦源的能量強度對供體(ti) 受激輻射速率與(yu) 熒光共振能量轉移速率之間的競爭(zheng) 關(guan) 係，實現了從(cong) 供體(ti) 分子的熒光信號、供體(ti) 共振能量轉移實現受體(ti) 分子激光信號、雙色激光信號，以及供體(ti) 分子激光信號之間智能響應的動態切換。並最終通過一個(ge) 4*4的微諧振腔陣列，組成四元密碼學編譯，實現了智能響應的多狀態激光信號的數字化讀取與(yu) 加解密功能應用，如圖2。

圖2 智能響應的微型激光的光加密陣列(a)含有不同供、受體(ti) 比例組合的微球作為(wei) 有機打印的編碼打印原料；(b)激光矩陣的光加密陣列示意圖；(c)通過受激每個(ge) 微球受激狀態破譯編碼信息。

觀點評述

作者提出通過控製泵浦光能量強度實現對供體(ti) 受激輻射速率與(yu) 熒光共振能量轉移速率之間的競爭(zheng) 關(guan) 係，實現了單一微球諧振腔不同激光信號的輸出。微球諧振腔陣列的搭建，構架了同時存在有不同屬性的激光信號，通過對最終得到的激光圖譜及實拍圖進行解析以及光子學編碼，從(cong) 而可以構建多個(ge) 編碼態。其單一泵浦源波長的限製，以及泵浦能量強度的精準調控，以及可設計的含有不同信息單元的微型激光器陣列的搭建，為(wei) 信息容量及信息安全強度的提高提供了非常優(you) 異的體(ti) 係。作者不僅(jin) 僅(jin) 提供了一個(ge) 關(guan) 於(yu) 有機複合材料動態受激態的理解，同時更提供了一個(ge) 嶄新的方向去靈活構建高保密性光化學加密器件。

主要作者介紹

高振華，副教授，中科院化學所博士，主持國家自然科學基金青年項目1項；齊魯工業(ye) 大學人才引進科研啟動基金1項，總經費70餘(yu) 萬(wan) 元。在naturecommunications, science advances, advanced materials, angew. chem. int. ed. jacs, acs nano等國際知名期刊發表sci論文10餘(yu) 篇，其中影響因子大於(yu) 20的論文有1篇，大於(yu) 10的sci論文有7篇，其中以第一作者在advanced materials，angew. chem. int. ed., acs nano, acs appl. mater. interfaces發表論文4篇，申請中國發明專(zhuan) 利1項。研究成果入選“2017年度中國光學十大進展。

趙永生，教授，中國科學院化學研究組研究員，課題組長。主要從(cong) 事低維有機晶體(ti) 材料的激發態過程與(yu) 光子學功能方麵的研究。獲得多項國家級榮譽：2011年度國家傑出青年基金；2011年度中國化學會(hui) 青年化學獎；2013年度中國科學院化學研究所"百人計劃"結題優(you) 秀；2013年度中國分析測試協會(hui) 科學技術一等獎。並與(yu) 2011 年起，作為(wei) 中國材料研究學會(hui) 青年工作委員會(hui) 理事，2013年至今分別擔任中國化學會(hui) 納米化學專(zhuan) 業(ye) 委員會(hui) 委員、副秘書(shu) 長；中國儀(yi) 表功能材料學會(hui) 理事；Nature Publishing Group (NPG) Scientific Reports雜誌編委。