手性等离子体核壳纳米粒子实现圆偏振随机激光的手性放大

《ACS Applied Optical Materials》：Chiroptical Amplification in Circularly Polarized Random Lasing Using Chiral Plasmonic Core–Shell Nanoparticles

为解决传统随机激光（RL）缺乏圆偏振（CPL）调控的问题，研究人员利用手性等离子体Au@Au核壳纳米粒子（ChNPs）、TiO2及Rh6G染料构建了CPL-RL系统。研究发现，在RL条件下，体系的发光不对称因子（glum）可从吸收不对称因子（gabs≈ +0.003）显著放大至+0.24，实现了近两个数量级的手性放大，为手性光子材料与活性传感器设计提供了新策略。

　　

在光子学领域，随机激光（Random Laser, RL）以其独特的无序反馈机制吸引了广泛关注。与传统激光器依赖精密光学腔不同，RL通过增益介质中随机分布的散射体（如纳米颗粒）实现光放大，具有结构简单、易于集成、发射波长可调等优势。然而，尽管RL在线性偏振发射方面取得了长足进展，具有特定手性（圆偏振）的随机激光发射（Circularly Polarized Luminescence, CPL）却鲜有报道。圆偏振光在三维显示、量子信息处理及生物手性传感等领域具有重要应用价值，如何在无序系统中实现高效、高不对称因子的CPL发射，成为当前研究的难点。

针对这一挑战，发表在《ACS Applied Optical Materials》上的研究论文《Chiroptical Amplification in Circularly Polarized Random Lasing Using Chiral Plasmonic Core–Shell Nanoparticles》提出了一种创新策略：将手性等离子体金核壳纳米粒子（Chiral Plasmonic Core–Shell Au@Au Nanoparticles, ChNPs）引入经典的Rh6G/TiO₂随机激光体系，成功实现了圆偏振随机激光（CPL-RL）的显著放大。

关键技术方法概述

本研究构建了以Rh6G为增益介质、TiO₂为散射体、手性Au@Au核壳纳米粒子为手性源的乙醇悬浮液体系。通过调控TiO₂浓度（0.25–1.0 mg/mL）确保其仅提供散射反馈而不干扰手性信号；通过种子介导生长法合成Au@Au ChNPs，并利用圆二色光谱（CD）和透射电镜（TEM）表征其手性光学性质与形貌；采用532 nm纳秒脉冲激光泵浦样品，结合左右旋圆偏振片与光谱仪，测量并计算了不同ChNPs浓度下的发光不对称因子（g_lum）。

研究结果

1. 材料表征与光谱匹配

透射电镜（TEM）显示Au@Au ChNPs呈现清晰的双锥体核壳结构。其圆二色性（CD）光谱在500–700 nm范围内显示出明显的手性信号，且与Rh6G染料的吸收和发射光谱高度重叠。这种光谱匹配确保了手性纳米粒子能够有效与增益介质相互作用，为手性放大奠定了基础。计算得出纳米粒子本征的吸收不对称因子（g_abs）约为+0.003。

2. 散射体浓度优化

作为对照，研究首先评估了仅含TiO₂和Rh6G的体系。结果显示，当TiO₂浓度为0.5 mg/mL和1.0 mg/mL时，左右旋圆偏振发射强度无显著差异（g_lum≈ 0）；而在0.25 mg/mL时，由于散射反馈的随机偏差，出现了微弱的非本征手性（g_lum= –0.065）。因此，后续实验选择0.5 mg/mL作为最佳TiO₂浓度，以排除散射体自身对手性信号的干扰。

3. 手性放大效应

引入Au@Au ChNPs后，体系表现出显著的圆偏振选择性放大。当ChNPs浓度分别为2.2×10^–12mol/L、4.4×10^–12mol/L和6.6×10^–12mol/L时，对应的g_lum值分别达到+0.14、+0.24和+0.16。值得注意的是，在最优浓度下，g_lum值（+0.24）比纳米粒子本征的g_{abs（~0.003）放大了近80倍。这一结果远超传统手性发光材料的放大效率，证实了随机激光环境对手性光学模式的协同增强作用。}

结论与意义

本研究成功演示了在手性等离子体纳米粒子辅助下，圆偏振随机激光的显著放大现象。尽管所使用的Au@Au ChNPs本征手性较弱（g_abs≈ +0.003），但通过将其嵌入无序增益介质并利用多重散射反馈机制，实现了g_lum高达+0.24的强圆偏振发射。这一现象可归因于随机激光的“适者生存”模式选择机制：在复杂的增益-损耗竞争中，系统优先放大那些与手性纳米粒子局域表面等离子体共振（LSPR）耦合且能量有利的光学模式。

该工作的重要意义在于：首先，它证明了利用弱手性构建单元结合无序光子结构，可以产生强圆偏振光源，为降低手性光学器件成本提供了新思路；其次，该CPL-RL系统为开发具有单一手性偏好的活性传感器和新型显示技术开辟了道路；最后，这种“手性放大”策略可推广至其他发光平台，推动手性光子材料的发展。