光波导材料在光子与光电设备广阔的应用前景引起了人们广泛的兴趣。最近，湘潭大学谢鹤楼教授与北京大学陈尔强教授团队提出了一种基于室温磷光液晶高分子的光波导材料。所得的室温磷光液晶高分子表现为典型的向列相液晶，磷光寿命约为0.15 ms，余辉持续时间约为1s。通过取向该类室温磷光液晶高分子所制备的单畴纤维具有良好的光约束性和高效的光传导性，光波导性能优异，其光损耗系数低至0.13 dB/mm，显著低于未取向的多畴液晶高分子。这项开创性工作为设计用于先进光子学和光电设备的新型光波导材料提供了新的思路。
光波导材料因其广泛应用于传感、大容量信息存储、波分复用器、逻辑门以及光子集成电路等领域，受到了人们广泛的关注。然而，目前报道的光波导材料大多数都是基于荧光光波导材料，荧光材料发射的辐射寿命较短、内量子效率较低，限制光波导材料的进一步发展和应用。有机室温磷光不仅具有较长的寿命与较高内量子效率，还具有较大的斯托克位移，能够有效避免光在传播过程中的二次吸收。将磷光发光分子与液晶高分子结合，所获得的室温磷光液晶高分子可以通过外力剪切对液晶进行取向排列，获得大面积有序的规整结构，能够有效弥补光波导材料有序结构的畴区大小难以调控的问题，有利于获得低损耗的光波导材料。
最近，湘潭大学谢鹤楼与北京大学陈尔强团队设计与合成了一种室温磷光（RTP）液晶高分子（LCP）。通过将磷光分子与液晶单体进行简单的自由基共聚，所得液晶分子表现出室温磷光和良好的液晶性能。由该类室温磷光液晶高分子所制备的磷光光波导材料具有出色的可加工性、大尺寸有序结构、低光损耗、可重复加工性以及热响应开关性能（图1）。这些优异的性能表明，室温磷光液晶高分子作为一种先进的光波导材料，在光电器件等方面具有巨大应用的潜力。
图1. 基于RTP LCP的有源光波导材料的化学结构和特点
研究发现取向与折射率大小是影响光损耗（OLC）的重要因素。实验结果表明，折射率越大，光损耗越小（图2a与图2b）。与非取向纤维对比，取向纤维的OLC约为非取向纤维的一半。为了深入了解取向与光波导性能之间的关系，利用时域差分仿真分析（FDTD）来探索取向对OLC的影响。研究表明，随着传播距离的增加，由于向列液晶畴的界面产生了光散射，无取向纤维中的光传播出现明显衰减现象（图2c）。相反，取向纤维能够将光紧密束缚在光纤内部，光衰减现象被大大抑制（图2d）。与其他光波导材料相比，室温磷光液晶高分子光波导材料是一类热塑性材料，它具有优异的可加工性能，通过熔融纺丝法可制备连续的取向纤维（图2e），同时多次加工不会改变共聚物的 RTP 特性和降低光波导性能（图2f），且弯曲状态下取向纤维也具有高效光波导性能，其OLC与直形状态几乎相同（图2g）。该类材料在不同的环境温度下其磷光强度可以有效调节，利用该特点可以制备一类温度-调制光波导开关装置，具体实验装置与示意图如图2 h-j。
图2. (a) 取向和无取向纤维P1-P7的OLC；(b) 共聚物 P1-P7在556nm处的折射率；(c) 沿Z轴(I)和X轴(II)的纵向界面，无取向纤维各点的光场强度分布；(d) 沿Z轴(I)和X轴(II)的纵向界面上，取向纤维各点的光场强度分布；(e) 米级规模的P4取向光纤（上：直形状态；下：卷曲状态）；(f) “熔融-拉伸”循环重复六次后取向纤维OLC和磷光强度；图中插图分别为P4熔体（左）和取向纤维（右）；(g) 365 nm点光源激发弯曲状态下的P4取向纤维光致发光照片；光开关示意图(h)和照片(i, j)以P4的取向纤维作为光波导，在25℃和40℃温度下控制LED的状态
综上，作者成功地制备了一种高效的室温磷光液晶高分子光波导材料。因其独特有序结构，使其具有较强的光束缚能力和高效的光传导性，表现出较低的光损耗特性。这项工作为设计用于先进光子学和光电器件的新型光波导材料提供了一条途径。
该文被选为Science China Chemistry 2024年第10期封面文章，论文第一作者为湘潭大学博士生李杰，通讯作者为湘潭大学谢鹤楼教授和北京大学陈尔强教授。详见：Jie Li, Yan Guan, Wei Xia, Jin-Kang Chen, Jiang Huang, Yi Chen, Qi Lin, Er-Qiang Chen*, He-Lou Xie*. Highly efficient room temperature phosphorescent liquid crystalline polymer optical waveguides for advanced optoelectronics. Sci. China Chem., 2024, doi:10.1007/s11426-024-2126-0
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