標(biāo)題 | 基于多激發(fā)態(tài)智能響應(yīng)的有機(jī)微激光，實(shí)現(xiàn)高安全性的光加密

完成單位 |中國(guó)科學(xué)院光化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

概述

中國(guó)科學(xué)院光化學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室趙永生教授團(tuán)隊(duì)，致力于有機(jī)納米光子學(xué)材料與器件的研究長(zhǎng)達(dá)十年之久。通過(guò)研究體系的激子動(dòng)力學(xué)等物理化學(xué)過(guò)程對(duì)材料光子學(xué)功能的影響和調(diào)控機(jī)制，為解決電子作為載體在信息處理等方面面臨的瓶頸問(wèn)題提供新思路。重點(diǎn)關(guān)注具有特定光子學(xué)功能的有機(jī)-無(wú)機(jī)低維復(fù)合材料與器件的可控制備新方法，材料與器件體系中的激子物理化學(xué)過(guò)程等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，以及基于新的科學(xué)問(wèn)題在功能元件和器件單元中對(duì)光子信號(hào)進(jìn)行操控和處理。基于多激發(fā)態(tài)智能響應(yīng)的有機(jī)微激光的輸出控制致力于高安全性光加密，相關(guān)研究成果于2020年7月發(fā)表于National Science Review，題目為：“Smart responsive organic microlasers with multiple emission states for high-security optical encryption”。

研究背景

現(xiàn)代高安全性密碼學(xué)和光通信的發(fā)展，要求實(shí)現(xiàn)高編碼容量和有效身份驗(yàn)證的位序列轉(zhuǎn)換。而隨著光信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展，如何利用光信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)高密度和強(qiáng)安全性的加密變?yōu)樨酱鉀Q的關(guān)鍵性問(wèn)題。其中，一個(gè)有效增加信息安全性和擴(kuò)大存儲(chǔ)密度的方法是利用允許多個(gè)狀態(tài)迅速切換的智能響應(yīng)的光致發(fā)光材料。與靜態(tài)光學(xué)材料相比，智能響應(yīng)型光致發(fā)光材料在外界刺激下會(huì)輸出不同的光學(xué)信號(hào)，使得智能響應(yīng)型光學(xué)材料更難被仿制與竊取。然而，大部分的智能響應(yīng)的光致發(fā)光材料只能夠提供有限的發(fā)光狀態(tài)，加密的安全性無(wú)法得到保障，高存儲(chǔ)密度、高信號(hào)識(shí)別能力的微觀器件仍待發(fā)展。

技術(shù)突破

本文創(chuàng)造性地利用了有機(jī)染料中供體的受激發(fā)光速率與熒光共振能量轉(zhuǎn)移速率之間的競(jìng)爭(zhēng)，由受、供體產(chǎn)生的激光信號(hào)之間的相互競(jìng)爭(zhēng)使得輸出的激光進(jìn)行可逆的調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)多種狀態(tài)的激光輸出進(jìn)行調(diào)制。也就是當(dāng)供體受激到高激發(fā)態(tài)之后，會(huì)迅速降至更加穩(wěn)定的第一激發(fā)態(tài)，這期間有兩條主要路徑可供選擇，一是供體分子輻射至基態(tài)，速度為Kr,二是熒光共振能量轉(zhuǎn)化被受體吸收受激輻射速度為KET，這兩種速率之間的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，使通過(guò)改變泵浦條件，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)摻雜諧振腔中多種激發(fā)態(tài)的精確調(diào)控成為可能。

作者采用了微乳液自組裝的方法，構(gòu)建出摻雜有激光增益分子的高品質(zhì)回音壁模式的微球復(fù)合諧振腔，如圖1(a)所示。在泵浦能量較低時(shí)，熒光共振能量轉(zhuǎn)化被受體吸收受激輻射速度(KET)高于供體分子受激輻射的速率(Kr)；當(dāng)繼續(xù)增大泵浦能量，兩者速率基本相同實(shí)現(xiàn)受、供體同時(shí)受激輻射形成雙重激光信號(hào)；當(dāng)泵浦能量達(dá)到某一值，熒光共振能量轉(zhuǎn)化被受體吸收受激輻射速度(KET)低于供體分子受激輻射的速率(Kr)，則僅有供體的受激激光存在。

圖1 智能響應(yīng)的微激光器供、受激光隨泵浦能量的競(jìng)爭(zhēng)(a)單個(gè)微球在400nm泵浦下的激光機(jī)制示意圖；(b)單個(gè)微球在不同泵浦能量下的光譜圖；(c)相對(duì)應(yīng)的不同泵浦能量下單個(gè)微球的實(shí)況圖；(d)單個(gè)微球在不同泵浦能量下激光能量示意圖。

作者進(jìn)一步調(diào)控供、受體的不同濃度比例，通過(guò)調(diào)整泵浦源的能量強(qiáng)度對(duì)供體受激輻射速率與熒光共振能量轉(zhuǎn)移速率之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了從供體分子的熒光信號(hào)、供體共振能量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)受體分子激光信號(hào)、雙色激光信號(hào)，以及供體分子激光信號(hào)之間智能響應(yīng)的動(dòng)態(tài)切換。并最終通過(guò)一個(gè)4*4的微諧振腔陣列，組成四元密碼學(xué)編譯，實(shí)現(xiàn)了智能響應(yīng)的多狀態(tài)激光信號(hào)的數(shù)字化讀取與加解密功能應(yīng)用，如圖2。

圖2 智能響應(yīng)的微型激光的光加密陣列(a)含有不同供、受體比例組合的微球作為有機(jī)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(guò)受激每個(gè)微球受激狀態(tài)破譯編碼信息。

觀點(diǎn)評(píng)述

作者提出通過(guò)控制泵浦光能量強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)供體受激輻射速率與熒光共振能量轉(zhuǎn)移速率之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了單一微球諧振腔不同激光信號(hào)的輸出。微球諧振腔陣列的搭建，構(gòu)架了同時(shí)存在有不同屬性的激光信號(hào)，通過(guò)對(duì)最終得到的激光圖譜及實(shí)拍圖進(jìn)行解析以及光子學(xué)編碼，從而可以構(gòu)建多個(gè)編碼態(tài)。其單一泵浦源波長(zhǎng)的限制，以及泵浦能量強(qiáng)度的精準(zhǔn)調(diào)控，以及可設(shè)計(jì)的含有不同信息單元的微型激光器陣列的搭建，為信息容量及信息安全強(qiáng)度的提高提供了非常優(yōu)異的體系。作者不僅僅提供了一個(gè)關(guān)于有機(jī)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)受激態(tài)的理解，同時(shí)更提供了一個(gè)嶄新的方向去靈活構(gòu)建高保密性光化學(xué)加密器件。

主要作者介紹

高振華，副教授，中科院化學(xué)所博士，主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)；齊魯工業(yè)大學(xué)人才引進(jìn)科研啟動(dòng)基金1項(xiàng)，總經(jīng)費(fèi)70余萬(wàn)元。在naturecommunications, science advances, advanced materials, angew. chem. int. ed. jacs, acs nano等國(guó)際知名期刊發(fā)表sci論文10余篇，其中影響因子大于20的論文有1篇，大于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(fā)表論文4篇，申請(qǐng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利1項(xiàng)。研究成果入選“2017年度中國(guó)光學(xué)十大進(jìn)展。

趙永生，教授，中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究組研究員，課題組長(zhǎng)。主要從事低維有機(jī)晶體材料的激發(fā)態(tài)過(guò)程與光子學(xué)功能方面的研究。獲得多項(xiàng)國(guó)家級(jí)榮譽(yù)：2011年度國(guó)家杰出青年基金；2011年度中國(guó)化學(xué)會(huì)青年化學(xué)獎(jiǎng)；2013年度中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所"百人計(jì)劃"結(jié)題優(yōu)秀；2013年度中國(guó)分析測(cè)試協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)。并與2011 年起，作為中國(guó)材料研究學(xué)會(huì)青年工作委員會(huì)理事，2013年至今分別擔(dān)任中國(guó)化學(xué)會(huì)納米化學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員、副秘書(shū)長(zhǎng)；中國(guó)儀表功能材料學(xué)會(huì)理事；Nature Publishing Group (NPG) Scientific Reports雜志編委。