ZJU-68晶体的单轴同质外延生长示意图。有机桥联配体H 2 CPQC沿晶轴方向提供更高的螯合位点密度，并且轴向和径向螯合位点密度的显着差异使得晶体倾向于在具有较少H +的生长溶液中沿轴向外延生长。另外，基板的引入防止了附着在基板上的ZJU-68晶体的一个端面与构架元件接触；因此，晶体的外延生长具有单向性，最终获得了单轴同质外延生长（UHG）的ZJU-68晶体。
包含从可见光到近红外的输出范围的多色单模偏振微激光在光子集成和多峰化学传感或成像应用中具有重要的应用。但是，在实践中很难实现这种装置。在一份新报告中，Huajun He和新加坡，中国和美国的物理学，材料科学和化学研究团队开发了具有多个段的单晶，以产生可控的单模近红外（NIR）激光。单晶的多个片段基于与适合绿色，红色和近红外的染料分子杂交的金属有机骨架（MOF）激光模拟计算。微晶中不同染料分子的分段组装使它充当缩短的共振器，从而以较低的三色激光阈值（红色，绿色和NIR）实现动态的多色单模激光。这些发现将为探索利用MOF工程技术为生物光子应用构建的单模微/纳米激光器开辟一条新途径。该作品现已发表在《自然 之光：科学与应用》上。
具有金属有机框架（MOF）的多色单模偏振激光感测
多色单模偏振激光感测或成像是一种有前途的诊断技术，在实践中仍有待有效开发。不同的生物组织，细胞或生物化学物质对不同波长的光具有不同的光学，热和声响应。结果，具有宽带多色输出的光源可以为多模式或多维感测或成像提供基础。光的偏振特性为处理散射信号提供了机会，以获取富含生物材料的结构信息。单模微/纳激光器可以满足小型化光子器件的必要应用；其中包括高信息准确性，避免错误信号以及插入不同光信号的干扰以实现不同细胞和分子的目标感测或成像。
金属有机骨架（MOF）是由金属离子和有机桥联配体组装而成的周期性晶体材料，可提供强大的混合平台来克服多色微激光的现有挑战。MOF的光滑且规则的晶体结构可以有效地充当光谐振器，以提供光反馈。在这项工作中，何等人。展示了基于宿主框架ZJU-68的不同染料分子的同时组装，以实现多色单模激光发射。
宽带多色偏振单模激光可潜在地用于多峰生物化学传感和成像。这种独特的激光性能融合了宽带输出，偏振和单模激光的优点，这些优点是通过染料组装的同质外延分层混合MOF微晶实现的。
染料组装的MOF的合成与表征
MOF微晶包含各种染料分子，科学家首先使用计算模拟来揭示材料的激光发射模式，以了解可能的激光发射模式机制。结果显示了用于光子集成和生化传感或成像的多色固态微激光器材料的新途径。该小组控制了MOF晶体的单向生长，以在结构上组装不同的客体材料/染料分子，并合成了染料组装的分层杂化金属-有机骨架。在合成过程中，首先，他们自组装锌离子（Zn 2+），有机连接基和染料分子以形成染料1。然后，将所得的微晶浸入新的Zn 2+反应溶液中。以及与具有不同染料分子的有机连接基形成染料2。对于第三步，他们重复第二步以获得三色层次混合微晶染料。该团队组合了三种不同的染料分子，分别缩写为DPBDM， DMASM 和MMPVP，以实现不同类型的杂化MOF单晶。除了由染料分子组装引起的颜色变化之外，所有杂化单晶都与宿主ZJU-68骨架的纯形式保持相同的六角棱柱结构。组装的染料分别对应于浅黄色，品红色和紫色。该团队进行了粉末X射线衍射图 组装在ZJU-68分层微晶上的染料的模拟结果与模拟吻合得很好。
多色荧光和多色激光性能
UHG分层杂化ZJU-68微晶的合成与表征。（a）UHG分级染料组装的杂化ZJU-68微晶的合成示意图。（b–i）ZJU-68（b），ZJU-68⊃MMPVP（c），ZJU-68⊃DMASM（d），ZJU-68⊃DPBDM（e），ZJU-68⊃DMASM+ MMPVP（ f），ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM（g），ZJU-68⊃DPBDM+ MMPVP（h）和ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP（i）; 比例尺，10μm。j ZJU-68和分层杂化ZJU-68微晶的PXRD图谱，表明分层杂化ZJU-68微晶具有与ZJU-68相同的骨架结构来源：光：科学与应用，doi：10.1038 / s41377-020 -00376-7
然后，研究小组比较了染料组装的ZJU-68杂化晶体的光致发光光谱。为此，他们使用了带有480 nm激发滤光片组的水银灯，并确定了绿色，红色和近红外发射峰。使用多通道共聚焦激光显微镜，He等。展示了具有三种染料的混合单晶如何与入射光和滤光片模块组合以进行分段激发和不同颜色的荧光信号输出。该过程防止了染料组装过程中因聚集而引起的猝灭效应，并有助于将能量从短波长染料分子转移到长波长染料分子，以实现高效的多波长发射输出。
科学家在显微镜下进一步研究了包含三个染料分子的单个小型杂化晶体的激光特性。他们使用耦合到显微镜中的480 nm激光束，使用光纤光谱仪收集光致发光信号。根据结果，He等。将三色激光加工归因于六角棱镜晶体的回音壁模式（WGM）机制。为了进一步了解六角腔中的激光模式机制，他们使用COMSOL Multiphysics软件进行了光学仿真。他们指出，六个晶面的内部反射是模拟图的WGM机制的特征。
UHG分层杂化ZJU-68微晶的荧光。（a）在390 nm激发的单个ZJU-68微晶的荧光光谱。（b–h）ZJU-68⊃MMPVP单层杂化微晶的荧光光谱（b），ZJU-68⊃DMASM（c），ZJU-68⊃DPBDM（d），ZJU-68⊃DMASM+ MMPVP（e）， ZJU-68 excitedDPBDM + DMASM（f），ZJU-68⊃DPBDM+ MMPVP（g）和ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP（h）在480 nm激发。插图：不同层次杂化ZJU-68微晶的荧光显微照片。比例尺，10μm。科学与应用，doi：10.1038 / s41377-020-00376-7
混合微晶中的扫描激光性能
该团队可以同时激发两个晶体段交界处的材料，以通过实验获得亮绿色/红色或红色/ NIR激光。独特的设置允许在微纳米空间中控制特定颜色或颜色组合的激光，以用于各种生物光子应用。到目前为止，科学家们在具有明显激光偏振的三色混合晶体中实现了三波长单模激光发射。通过对齐这些染料分子的发射跃迁，He等。获得了显着的发射各向异性（即荧光团发出的光具有相同的强度）。这种各向异性的多色激光结果对于生物化学传感或成像以及光信号处理应用具有巨大的潜力。
单个ZJU-68⊃DPBDM+ DMASM + MMPVP分层混合微晶（R〜1.65μm）中的单模激光。（a–c）ZJU-68⊃DPBDM（a），ZJU-68⊃DMASM（b）和ZJU-68⊃MMPVP（c）激光阈值附近的晶体段的发射光谱。插图：在480 nm激发的ZJU-68，DPBDM（a），ZJU-68⊃DMASM（b）和ZJU-68⊃MMPVP（c）晶体片段的显微照片，发射强度与泵浦注量的关系ZJU-68⊃DPBDM的激光阈值为〜0.660 mJ / cm2，ZJU-68⊃DMASM的激光阈值为〜0.610 mJ / cm2，ZJU-68⊃MMPVP的激光阈值为〜1.72 mJ / cm2（左）。比例尺，10μm。d–f在720 nm（d），621 nm（e）和534 nm（f）模式下，六边形腔中的模拟电场分布（电场强度的平方）。科学与应用，doi：10.1038 / s41377-020-00376-7
这样，Huajun He及其同事在金属有机骨架（MOF）微谐振器上的宿主-客体杂交过程中开发了不同染料分子的层次组装。使用该平台，他们可以实现高达三波长的单模激光发射。分段组件控制了微激光器的颜色输出，并解决了不同染料分子之间能量转移的不利影响。三色单模激光该工艺以单片结构提供了从可见光到NIR的波长范围。这项工作简化了开发用于多峰生物光子应用的单模激光结构的过程。