标题 | 基于多激发态智能响应的有机微激光，实现高安全性的光加密

完成单位 |中国科学院光化学重点实验室

概述

中国科学院光化学院重点实验室赵永生教授团队，致力于有机纳米光子学材料与器件的研究长达十年之久。通过研究体系的激子动力学等物理化学过程对材料光子学功能的影响和调控机制，为解决电子作为载体在信息处理等方面面临的瓶颈问题提供新思路。重点关注具有特定光子学功能的有机-无机低维复合材料与器件的可控制备新方法，材料与器件体系中的激子物理化学过程等基础科学问题，以及基于新的科学问题在功能元件和器件单元中对光子信号进行操控和处理。基于多激发态智能响应的有机微激光的输出控制致力于高安全性光加密，相关研究成果于2020年7月发表于National Science Review，题目为：“Smart responsive organic microlasers with multiple emission states for high-security optical encryption”。

研究背景

现代高安全性密码学和光通信的发展，要求实现高编码容量和有效身份验证的位序列转换。而随着光信息技术的蓬勃发展，如何利用光信息技术实现高密度和强安全性的加密变为亟待解决的关键性问题。其中，一个有效增加信息安全性和扩大存储密度的方法是利用允许多个状态迅速切换的智能响应的光致发光材料。与静态光学材料相比，智能响应型光致发光材料在外界刺激下会输出不同的光学信号，使得智能响应型光学材料更难被仿制与窃取。然而，大部分的智能响应的光致发光材料只能够提供有限的发光状态，加密的安全性无法得到保障，高存储密度、高信号识别能力的微观器件仍待发展。

技术突破

本文创造性地利用了有机染料中供体的受激发光速率与荧光共振能量转移速率之间的竞争，由受、供体产生的激光信号之间的相互竞争使得输出的激光进行可逆的调控，进而实现对多种状态的激光输出进行调制。也就是当供体受激到高激发态之后，会迅速降至更加稳定的第一激发态，这期间有两条主要路径可供选择，一是供体分子辐射至基态，速度为Kr,二是荧光共振能量转化被受体吸收受激辐射速度为KET，这两种速率之间的竞争机制，使通过改变泵浦条件，实现同一个掺杂谐振腔中多种激发态的精确调控成为可能。

作者采用了微乳液自组装的方法，构建出掺杂有激光增益分子的高品质回音壁模式的微球复合谐振腔，如图1(a)所示。在泵浦能量较低时，荧光共振能量转化被受体吸收受激辐射速度(KET)高于供体分子受激辐射的速率(Kr)；当继续增大泵浦能量，两者速率基本相同实现受、供体同时受激辐射形成双重激光信号；当泵浦能量达到某一值，荧光共振能量转化被受体吸收受激辐射速度(KET)低于供体分子受激辐射的速率(Kr)，则仅有供体的受激激光存在。

图1 智能响应的微激光器供、受激光随泵浦能量的竞争(a)单个微球在400nm泵浦下的激光机制示意图；(b)单个微球在不同泵浦能量下的光谱图；(c)相对应的不同泵浦能量下单个微球的实况图；(d)单个微球在不同泵浦能量下激光能量示意图。

作者进一步调控供、受体的不同浓度比例，通过调整泵浦源的能量强度对供体受激辐射速率与荧光共振能量转移速率之间的竞争关系，实现了从供体分子的荧光信号、供体共振能量转移实现受体分子激光信号、双色激光信号，以及供体分子激光信号之间智能响应的动态切换。并最终通过一个4*4的微谐振腔阵列，组成四元密码学编译，实现了智能响应的多状态激光信号的数字化读取与加解密功能应用，如图2。

图2 智能响应的微型激光的光加密阵列(a)含有不同供、受体比例组合的微球作为有机打印的编码打印原料；(b)激光矩阵的光加密阵列示意图；(c)通过受激每个微球受激状态破译编码信息。

观点评述

作者提出通过控制泵浦光能量强度实现对供体受激辐射速率与荧光共振能量转移速率之间的竞争关系，实现了单一微球谐振腔不同激光信号的输出。微球谐振腔阵列的搭建，构架了同时存在有不同属性的激光信号，通过对最终得到的激光图谱及实拍图进行解析以及光子学编码，从而可以构建多个编码态。其单一泵浦源波长的限制，以及泵浦能量强度的精准调控，以及可设计的含有不同信息单元的微型激光器阵列的搭建，为信息容量及信息安全强度的提高提供了非常优异的体系。作者不仅仅提供了一个关于有机复合材料动态受激态的理解，同时更提供了一个崭新的方向去灵活构建高保密性光化学加密器件。

主要作者介绍

高振华，副教授，中科院化学所博士，主持国家自然科学基金青年项目1项；齐鲁工业大学人才引进科研启动基金1项，总经费70余万元。在naturecommunications, science advances, advanced materials, angew. chem. int. ed. jacs, acs nano等国际知名期刊发表sci论文10余篇，其中影响因子大于20的论文有1篇，大于10的sci论文有7篇，其中以第一作者在advanced materials，angew. chem. int. ed., acs nano, acs appl. mater. interfaces发表论文4篇，申请中国发明专利1项。研究成果入选“2017年度中国光学十大进展。

赵永生，教授，中国科学院化学研究组研究员，课题组长。主要从事低维有机晶体材料的激发态过程与光子学功能方面的研究。获得多项国家级荣誉：2011年度国家杰出青年基金；2011年度中国化学会青年化学奖；2013年度中国科学院化学研究所"百人计划"结题优秀；2013年度中国分析测试协会科学技术一等奖。并与2011 年起，作为中国材料研究学会青年工作委员会理事，2013年至今分别担任中国化学会纳米化学专业委员会委员、副秘书长；中国仪表功能材料学会理事；Nature Publishing Group (NPG) Scientific Reports杂志编委。