一种染料自聚合薄膜随机激光器及其制备方法与流程

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种染料自聚合薄膜随机激光器及其制备方法。

背景技术：

近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光在产生机理及发光特性上与传统激光器存在许多显著的不同，随机激光辐射源自激活无序介质，通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益，无需外加谐振腔。在各个方向都能观察到随机激光辐射，且观察角度不同时，谱线结构和发射强度也会发生变化，发光特性在时间、空间、光谱上随机波动。随机激光由于其特殊的反馈机制而具有工作波长特定、制造方便、成本低廉等优点，并因其在文档编码、敌我鉴别、平板显示、集成光学、远程温度传感等领域的潜在应用而引起广泛关注。

现如今，薄膜随机激光器已经被广泛的研究，通常，薄膜随机激光器中既包含增益介质和散射介质，且这两种介质通常由不同介质构成，增益介质为染料分子，散射介质为纳米粒子、液晶、量子点、生物组织等，在随机机激光的形成过程中分别提供增益作用和多重散射作用。由于制备过程繁琐，生产成本高，限制了它的实际应用。现有技术中，文献“ACS Photonics 2015，2，1755-1762”中向薄膜中掺入生物蛋白和染料分子(Rh6G)，利用生物蛋白控制染料分子的聚集形态，分别形成瓦片状和颗粒状的染料聚集形态，且染料分子浓度较高(5mg/mL)，形成的随机激光的阈值很大(分别为8.1mJ/cm²和14.7mJ/cm²)，增加了系统的能耗。当没有生物蛋白掺入薄膜中时，并没有观察到随机激光的出射。另外有文章“OPTICS LETTERS，2015，40，1552-1555”报道，在薄膜中掺入非线性光学染料DCNP，染料浓度很高时(染料DCNP和薄膜PMMA质量比为2％)，由于染料的重结晶可以形成微纳晶体，出射随机激光，但随机激光的阈值依旧很高(7.5mJ/cm²)。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种染料自聚合薄膜随机激光器及其制备方法，该染料自聚合薄膜随机激光器阈值低、出光稳定，制备过程简单，降低了制备成本，在集成光学、纳米光电子学方面作为低能耗的光源使用。

技术方案：为了实现上述目的：如本发明所述的一种染料自聚合薄膜随机激光器，包括外置泵浦光和薄膜样片；所述薄膜样片由玻璃底片和PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜构成，玻璃底片和PDMS薄膜共同形成了泄漏波导结构。

进一步地，所述PDMS薄膜中含有自发聚集的染料微纳晶体。

进一步地，所述染料微纳晶体是由PM597染料分子自发聚集形成。

进一步地，所述外置泵浦光照射到薄膜样片上时出射随机激光。

进一步地，所述PM597染料分子在PDMS薄膜中的浓度为0.8mg/mL-1.5mg/mL。

进一步地，所述外置泵浦光为经过外置泵浦光路形成的泵浦光。

进一步地，玻璃底片折射率是n₁＝1.52，PDMS薄膜折射率为n₂＝1.40，构成泄漏波导结构。

如本发明所述的染料自聚合薄膜随机激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将PDMS预聚物A(购买于苏州汶颢芯片科技有限公司)和甲苯溶剂以质量比(1-4):6的比例混合，搅拌20-40min，使溶液混合均匀；

(2)向混合溶液中加入PM597染料分子(购买于Exciton公司)，该PM597染料分子与最终制得的PDMS薄膜质量比为0.08％-0.15％，超声10-20min；

(3)超声后加入PDMS固化剂B(购买于苏州汶颢芯片科技有限公司)，PDMS固化剂B和PDMS预聚物A的质量比为1：(8-10)，搅拌1h-2h；使溶液混合均匀；

(4)将步骤(3)得到混合溶液均匀地滴加到预先清洗好的玻璃底片上，静置一夜，除去气泡，使甲苯挥发；

(5)将已静置一夜滴有混合溶液的玻璃底片，在70-90C°下加热6h-8h，蒸发掉多余的甲苯，使混合溶液在玻璃底片上固化成膜，制得PDMS薄膜样片。

(6)步骤(5)所制得的薄膜样片配合外置泵浦光，即制备成染料自聚合薄膜随机激光器。

进一步地，步骤(4)所述玻璃底片长宽为3cm*2cm。

进一步地，步骤(5)所述薄膜样片的薄膜厚度为7um-18um。

本发明具体的工作原理如下：先用甲苯将PDMS预聚物A稀释，添加PM597染料分子后，再加入PDMS固化剂B，目的是使PM597染料分子均匀地溶解在混合溶液中。PDMS预聚物A里含有硅氧烷低聚体和硅氧烷交联体两种形式的结构，其中硅氧烷低聚体内含有乙烯基团(-CH＝CH-)，而每一个硅氧烷交联体内最少包括三个硅氢键。PDMS固化剂B内含有金属催化剂，它可以催化乙烯基团两端加上硅氢键的反应，形成Si-CH＝CH-Si这样的联接。当样品放在真空干燥箱加热的过程中，PDMS预聚物A和PDMS固化剂B优先反应，生成有机硅弹性体，这种弹性体不溶于甲苯。PDMS预聚物A和PDMS固化剂B发生反应后，由液态转化为固态，同时多余的甲苯被蒸发掉。由于低浓度的PM597染料分子在甲苯中的溶解度大于在PDMS中的溶解度，在甲苯挥发、PDMS固化的过程中，PM597染料分子溶解度发生变化而聚集，形成微纳晶体(而现有技术中利用生物蛋白控制染料的聚集形态或通过染料的重结晶形成微纳晶体，微纳晶体形成的机理与本发明不同)，这种微纳晶体在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质的作用。同时，玻璃底片和PDMS薄膜共同形成的泄漏波导结构，对泵浦光产生的限制作用，也为随机激光的形成提供了光学反馈，当外置泵浦光照射到薄膜样片上时即出射单方向的随机激光。

有益效果：与现有技术相比，本发明的染料自聚合薄膜随机激光器具有如下优点：

(1)本发明由于使用低浓度的PM597染料分子自吸收损耗的能量很小，大大降低了随机激光器的阈值，进而降低了泵浦光的能量损耗；

(2)本发明在PDMS薄膜中，利用玻璃底片和PDMS薄膜形成泄漏波导结构，在薄膜中，低浓度的染料分子在溶剂中的溶解度大于在薄膜中的溶解度，在溶剂挥发、薄膜固化的过程中，染料分子溶解度发生变化而聚集，形成微纳晶体；这种微纳晶体在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质的作用，当外置泵浦光照射到薄膜样片上时即出射单方向的随机激光；

(3)本发明出射的随机激光具有单方向性和出光稳定的特点；

(4)本发明中玻璃底片和PDMS薄膜共同形成的泄漏波导结构，对泵浦光产生限制作用，为随机激光的形成提供了光学反馈；

(5)本发明的薄膜随机激光器的薄膜中只有PM597染料分子，由于PM597染料分子溶解度发生变化聚集形成微纳晶体，在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质的作用，简化了随机激光器的制备方法；本发明的薄膜随机激光器阈值低，制备过程简单，降低了制备成本，在集成光学、纳米光电子学方面作为低能耗的光源使用。

附图说明

图1是本发明染料自聚合薄膜随机激光器的结构示意图；

图2是本发明的薄膜结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1和2所示，一种染料自聚合薄膜随机激光器，包括外置泵浦光1、薄膜样片3；所述薄膜样片由玻璃底片5和PDMS薄膜7构成，玻璃底片5和PDMS薄膜7共同形成了泄漏波导结构；所述PDMS薄膜7中含有自发聚集的PM597染料微纳晶体6-1、6-2、6-3；所述染料微纳晶体是由染料分子自发聚集形成的，这种微纳晶体在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质的作用。同时，玻璃底片5和PDMS薄膜7共同形成的泄漏波导结构，对泵浦光产生的限制作用，也为随机激光的形成提供了光学反馈。将Nd:YAG激光器输出的波长为532nm的绿光，经过外置泵浦光路，最终形成规格为0.5mm*8mm的条形泵浦光即为外置泵浦光，当外置泵浦光1照射到薄膜样片3上时即出射单方向的随机激光2、4。

实施例2

染料自聚合薄膜随机激光器的制备方法：

(1)将PDMS预聚物A和甲苯溶剂以质量1:6的比例混合，用磁力搅拌器搅拌20min，使溶液混合均匀；

(2)向混合溶液中加入PM597染料分子，超声10min-20min；

(3)超声后加入PDMS固化剂B，PDMS固化剂B和PDMS预聚物A的质量比为1：8，搅拌1h；使溶液混合均匀；

(4)将步骤(3)得到混合溶液均匀地滴加到预先清洗好的2cm*3cm玻璃底片上，静置一夜，除去气泡，使甲苯挥发。

(5)将已静置一夜滴有混合溶液的玻璃底片，在70C°下加热8h，蒸发掉多余的甲苯，使混合溶液在玻璃底片上固化成膜，制得PDMS薄膜样片。

(6)步骤(5)所制得的薄膜样片配合外置泵浦光，即制备成染料自聚合薄膜随机激光器。

本实施例制得的PDMS薄膜样片中染料PM597和薄膜PDMS质量比为0.08％，，薄膜厚度为7um。

实施例3

染料自聚合薄膜随机激光器的制备方法：

(1)将PDMS预聚物A和甲苯溶剂以质量比2:3的比例混合，用磁力搅拌器搅拌40min，使溶液混合均匀；

(2)向混合溶液中加入PM597染料分子，超声20min；

(3)超声后加入PDMS固化剂B，PDMS固化剂B和PDMS预聚物A的质量比为1：10，搅拌2h；使溶液混合均匀；

(4)将步骤(3)得到混合溶液均匀地滴加到预先清洗好的2cm*3cm玻璃底片上，静置一夜，除去气泡，使甲苯挥发。

(5)将已静置一夜滴有混合溶液的玻璃底片，在90C°下加热6h，蒸发掉多余的甲苯，使混合溶液在玻璃底片上固化成膜，制得PDMS薄膜样片。

(6)步骤(5)所制得的薄膜样片配合外置泵浦光，即制备成染料自聚合薄膜随机激光器。

本实施例制得的PDMS薄膜样片中染料PM597和薄膜PDMS质量比为0.15％，，薄膜厚度为18um。

实施例4

染料自聚合薄膜随机激光器的制备方法：

(1)将PDMS预聚物A和甲苯溶剂以质量比5:12的比例混合，用磁力搅拌器搅拌30min，使溶液混合均匀；

(2)向混合溶液中加入PM597染料分子，超声15min；

(3)超声后加入PDMS固化剂B，PDMS固化剂B和PDMS预聚物A的质量比为1：9，搅拌1.5h；使溶液混合均匀；

(4)将步骤(3)得到混合溶液均匀地滴加到预先清洗好的2cm*3cm玻璃底片上，静置一夜，除去气泡，使甲苯挥发。

(5)将已静置一夜滴有混合溶液的玻璃底片，在80C°下加热7h，蒸发掉多余的甲苯，使混合溶液在玻璃底片上固化成膜，制得PDMS薄膜样片。

(6)步骤(5)所制得的薄膜样片配合外置泵浦光，即制备成染料自聚合薄膜随机激光器。

本实施例制得的PDMS薄膜样片中染料PM597和薄膜PDMS质量比为0.12％，，薄膜厚度为12um。

试验例1

将Nd:YAG激光器输出的波长为532nm的绿光，经过外置泵浦光路，最终形成规格为0.5mm*8mm的条形泵浦光，外置泵浦光1照射到实施例2-4的薄膜样片3上，出射随机激光2、4。

在本发明实施例2-4制备的染料自聚合薄膜随机激光器中，用功率计测量测量泵浦光的强度，用光学多通道分析仪测量随机激光的强度后，可得到实施例2-4制备的激光器的阈值分别为1.2mJ/cm²、1.725mJ/cm²和1.5mJ/cm²，而现有技术中的阈值最少为7.5mJ/cm²。本发明中染料微纳晶体在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质，同时随机激光器的阈值比现有技术要低很多，可以极大的降低泵浦光的能量损耗。