【Angew.Chem.】 超低阈值 486 nJ/cm²：近红外有机单晶激光的聚集驱动级联质子转移新突破

文章标题：Aggregation‐Driven Thorough Cascaded Proton Transfer Process Targeting Ultralow‐Threshold Near‐Infrared Organic Single‐Crystal Lasers
通讯作者：Xue-Dong Wang
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202525240

文章概要

引言

近红外（NIR）固态激光在光通信、生物医学和信息安全等领域具有重要应用价值。然而，传统的有机固态激光器（OSSLs）普遍存在激子利用率低、光学增益不足、阈值过高等问题。研究团队提出通过激发态双质子转移（ESDPT）机制来提升增益，但由于能级结构限制，往往难以实现完整的双质子转移过程。为此，本研究探索了分子聚集效应，利用单晶中形成的 J-聚集结构来稳定激发态，从而推动彻底的级联质子转移过程，最终实现超低阈值的近红外激光发射。

主要实验及结论

研究团队设计并合成了新型分子 DDMC，其分子骨架含有双氢键，具备潜在的级联 ESDPT 能力。通过单晶结构解析与理论计算发现，DDMC 单晶微线中存在强烈的 J 型耦合（4260 cm⁻¹），有效降低了 TB* 激发态能量，使得完整的双质子转移过程得以实现。

实验结果显示：

• 在溶液态下，DDMC 单体仅能进行单质子转移，激光发射波长约 720 nm，阈值高达 18.3 µJ/cm²。
• 在单晶微线中，DDMC 通过彻底的级联 ESDPT 过程建立了高增益的六能级系统，所有激发电子均参与受激辐射，显著提升了激子利用率。
• 最终实现了电信波段（约 870 nm）的激光发射，阈值仅为 486 nJ/cm²，比单体态降低两个数量级，创下非掺杂近红外有机单晶激光的最低阈值纪录。

此外，光谱分析、瞬态荧光上转换和瞬态吸收实验均验证了这一彻底的级联质子转移过程。相比单体态的四能级系统，单晶微线展现出更长的激发态寿命（TB* ≈ 708 ps），更高的光学增益（27.3 cm⁻¹），以及更小的再吸收损耗。

总结及展望

本研究首次系统揭示了分子聚集效应在优化级联质子转移过程中的关键作用，提出了通过 J-聚集稳定激发态、实现彻底 ESDPT 的有效策略。该方法不仅显著降低了激光阈值，还成功将发射波长扩展至电信波段，为未来开发高增益、低功耗的近红外有机激光器提供了新思路。

展望未来，这一成果有望推动电泵浦近红外有机激光器的实现，并在高速光通信、生物成像和低能耗光源等领域展现广阔应用前景。