郑州大学卢思宇研究员、张永强教授 Adv. Mater.:首次碳基圆偏振激光,微螺旋结构中受激发射对手性光学响应的指数级增强及其逻辑门应用
通讯作者：Yongqiang Zhang, Siyu Lu圆偏振发光（CPL）材料在手性光电器件中潜力巨大，但受限于低的发光不对称因子（g-factor通常在10⁻⁵~10⁻³）以及g-factor与PLQY之间的相互制约关系。传统手性发光材料依赖自发发射，方向性差、谱线宽。虽然圆偏振激光可通过受激发射放大g-factor（理论最大值2），但现有手性激光介质制备复杂、毒性高、稳定性不足。本文以邻苯二胺（OPD）为碳源、D/L-脯氨酸为手性配体，通过一步溶剂热法合成NIR手性碳点（CDs），再利用酸驱动自组装形成微螺旋结构，将g-factor从<10⁻⁵提升至6.5×10⁻³，并首次在CDs体系中实现圆偏振激光发射（g-factor达1.05，阈值28.91 mJ/cm²，稳定性>15 h），进一步构建了快速响应圆偏振激光逻辑门系统。酸驱动自组装与手性放大：D-CDs组装为左旋微螺旋、L-CDs组装为右旋微螺旋；g-factor从<10⁻⁵→1.8×10⁻³（纳米环片）→6.5×10⁻³（微螺旋）；PLQY保持~12.47%，K_R~10⁷ s⁻¹量级。
组装机理揭示：表面DHQP荧光团通过共面扩展+J聚集堆叠实现有序排列，手性酰胺键（-CONH-）通过氢键网络传递手性并主导螺旋方向；酸加入质子化表面基团、减弱静电排斥，触发定向组装。
首次CDs圆偏振激光：532 nm光泵浦，阈值28.91 mJ/cm²（L-微螺旋），FWHM窄至0.19 nm，Q因子达3748，g-factor放大至1.05（L-微螺旋，-1.05），15 h连续工作无衰减，增益系数~13.08 cm⁻¹。
光增益机制：TA光谱中SE信号（~697 nm）与ESA（~544 nm）和GSB（~578/631 nm）清晰分离；净增益寿命~220 ps，俄歇复合寿命~215 ps，俄歇复合是限制增益性能的关键因素。
激光逻辑门：利用QWP和P作为二进制输入通道（R和S），以成像清晰/模糊为输出（1/0），成功实现AND、OR、NOT逻辑运算。
CDs合成：OPD+D/L-脯氨酸，乙醇/水混合溶剂，200°C溶剂热反应12 h，旋蒸+沉淀纯化。
自组装：CDs水溶液中滴加H₂SO₄（90 μL），室温静置形成微螺旋；碱（NaOH）可逆解散。
表征手段：TEM/SEM/AFM（形貌与手性）、UV-vis吸收与CD光谱（基态手性）、PL/CPL光谱（激发态手性与g-factor）、FTIR与¹H NMR（氢键与组装驱动力）、XRD与Raman（DHQP有序排列）、TGA（热稳定性）、时间分辨PL（τ与K_R计算）。
超快光谱：飞秒瞬态吸收（TA）泵浦-探测，分析GSB/ESA/SE信号、俄歇复合与净增益寿命。
激光测试：532 nm脉冲激光泵浦，柱面镜聚焦为线斑；QWP+线偏振片检测圆偏振分量；VSL法测增益系数；COMSOL模拟手性本征模与Q因子。
方案1 | 手性D/L-CDs的制备、手性光学增强策略及基于手性激光的逻辑门系统。图1 微螺旋结构与手性光学性质之间的构效关系。(a) D/L-CDs自组装和解组装过程的形貌表征及稳态光谱表征，包括：(b) 紫外-可见吸收光谱和圆二色光谱，(c) 光致发光光谱和圆偏振发光光谱。
图2 CDS组装机制分析。(a) CDs在293至413 K范围内的原位傅里叶变换红外光谱。(b) CDs在293至363 K范围内的原位核磁共振氢谱。(c) CDs、微螺旋和DHQP的XRD谱图。(d) CDs、微螺旋和DHQP的拉曼光谱。(e) CDs组装机制示意图。(b) TA光谱；图中标出了以皮秒为单位的延迟时间。(d) 微螺旋的归一化TA光谱；图中标出了以皮秒为单位的延迟时间。(g) 归一化吸收漂白（−Δα/α0）在697 nm处随<N0>的变化，随强度增加。(h) 在信号增强处，非线性吸收（A）随时间的变化。阴影区域对应净光学增益（A < 0），指示净光学增益寿命τ_g。实线表示数值拟合结果。(i) 在放大自发发射峰位处，由TA光谱获得的衰减动力学，虚线为单指数衰减拟合.图4 微螺旋激光性能的表征。(a) 基于CDs的圆偏振激光测试系统光路图。(b) D-微螺旋和(e) L-微螺旋在不同泵浦能量密度下的发射光谱；插图为远场激光光斑图像。(c) D-微螺旋和(f) L-微螺旋的发射强度与半高全宽随泵浦能量密度的变化。(d) D-微螺旋和(g) L-微螺旋的偏振角依赖激光发射强度。(h) 在相应激光阈值两倍泵浦条件下，D-微螺旋和L-微螺旋的高分辨激光光谱。(i) 微螺旋的激光稳定性，插图为激光远场光斑的实拍图像、尺寸及能量分布.图5 圆偏振随机激光产生背后物理机制的理论计算。(a) 手性微螺旋结构的几何结构及电磁场分布；(b) 右旋螺旋菌的远场分布图样；(c) 手性螺旋结构本征模式的品质因子；(d) 经法布里-珀罗调制后的品质因子；(e) 右旋螺旋体的手性光学密度。图6 基于微螺旋结构的激光逻辑门。(a) 激光逻辑门示意图。圆形代表不同的圆偏振态，圆内的球体代表不同的信号赋值。逻辑门运算的真值表，包括：(b) 与门（AND），(c) 或门（OR），(d) 非门（NOT）.参考文献：https://doi.org/10.1002/adma.73789.
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