基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器的制作方法

本发明涉及光纤随机激光器领域，具体是一种基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器。

背景技术：

在最近几年的研究中无序和非周期性光子成为一个研究热点。科学家们研究如何驾驭不规则且对光有强烈随机散射的无序介质。在随机材料中光扩散是一个普遍的物理现象。最近，研究者们发现光波在随机材料传输过程中蕴含着许多丰富有趣的物理学现象。光在无序结构中传输会发生多重散射而不会损失它的光波特征，同时光波在散射过程中和散射之后都能发生干涉效应。又因为光散射是弹性散射，所以光学信息不会损失掉。另外由于互易性，原则上光的散射完全是可逆的。这些特点导致光在无序介质中传输产生一系列有趣的物理效应，同时在无序光子学方面将会有巨大的应用潜力，例如如果光通过无序散射介质，例如生物组织，并且能成像出来的话，将在生物医学上有很大的进步，同时将对医学成像，光遗传学，及动态光疗产生巨大的影响。

随机激光是一种非传统类型的激光，不需要传统激光器所需要的反射镜构成的谐振腔，它只依赖增益介质和无序散射介质获得反馈和光。研究者对于随机激光的特殊性质产生了浓厚的兴趣。研究者发现可以在许多体系中得到随机激光，例如增益介质和纳米颗粒的悬浮液，含银纳米粒子的聚合物薄膜，金属纳米粒子，π-共轭聚合物和渗透的蛋白石系统。然而，传统的无方向性特征的随机激光系统已经在很大程度上限制了它们的应用。作为一种新型的激光器，随机激光的高阈值和无方向性阻碍其发展。为了解决这两个难题，人们尝试利用一维和二维结构束缚随机激光从而得到具有低阈值和一定方向性的随机激光发射。聚合物光纤由于他们柔性好、易于处理、经济及较大的数值孔径等特点受到越来越多的受到关注。聚合物光纤被广泛应用于各种领域，例如短距离光通信、光纤传感器及照明装置。随着无序聚合物光纤的发展，越来越多的工作集中在聚合物光纤放大器和聚合物光纤随机激光器领域。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，包括纤芯和包层，其特征在于：所述纤芯材料为纳米颗粒、引发剂过氧化二月桂酰、增益介质掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯共聚物，所述包层材料为甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物。

所述的基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，其特征在于：所述纤芯中，掺杂的纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、硫化镉量子点、poss纳米颗粒中的任意一种。

所述的基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，其特征在于：所述纤芯中，掺杂的增益介质为pm597、pm567、罗丹明6g中的任意一种。

所述的基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，其特征在于：构成包层的共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的质量为构成包层的共聚物总质量的10%-70%，丙烯酸丁酯的质量为构成包层的共聚物总质量的30%-90%。

所述的基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，其特征在于：整个光纤激光器中，甲基丙烯酸甲酯的质量分数为0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸苄酯的质量分数为0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的质量分数为17wt.%-21wt.%，掺杂的增益介质的质量分数为0.1wt.%-0.4wt.%，过氧化二月桂酰的质量分数为0.5wt.%-1.5wt.%，掺杂的纳米颗粒的质量分数为0.01wt.%-0.1wt.%。

所述的基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，其特征在于：制备过程包括以下步骤：

（1）、利用teflon法，将甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物预制棒作为包层；

（2）、将构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、纳米颗粒、引发剂过氧化二月桂酰、增益介质按各自重量百分比注入到步骤（1）得到的空芯聚合物预制棒中；

（3）、将步骤（2）得到的预制棒热固化，热固化之后得到不同含量纳米颗粒掺杂的增益无序聚合物光纤预制棒；

（4）、将纳米颗粒掺杂的增益无序聚合物光纤预制棒在拉丝塔下拉制，制得基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器。

本发明的优点是基于一种基于纳米散射稳定的相干无序聚合物光纤随机激光，纳米颗粒在聚合过程中在聚合物光纤纤芯里面原位自组装形成。这种聚合物光纤随机激光的阈值进一步被降低。同时如果更换纤芯里面的激光增益介质的种类，能控制聚合物光纤随机激光的发射波长。由于这种聚合物光纤随机激光有低阈值和有方向性的特点有望应用于光纤传感和光电集成系统，同时聚合物光纤随机激光器由于低成本和弯曲性好的特点可以有应用于微纳光学集成系统的前景。

附图说明

图1为本发明制备方法原理过程图。

图2是纤芯poss纳米颗粒的电镜图。

图3是染料分子掺杂含有poss纳米颗粒的无序聚合物光纤在不同能量泵浦下的发射谱变化图。

具体实施方式

基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，包括纤芯和包层，纤芯材料为纳米颗粒、引发剂过氧化二月桂酰、增益介质掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯共聚物，所述包层材料为甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物。

纤芯中，掺杂的纳米颗粒为二氧化硅、二氧化钛、硫化镉量子点、poss纳米颗粒中的任意一种。

纤芯中，掺杂的增益介质为pm597、pm567、罗丹明6g中的任意一种。

构成包层的共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的质量为构成包层的共聚物总质量的10%-70%，丙烯酸丁酯的质量为构成包层的共聚物总质量的30%-90%。

整个光纤激光器中，甲基丙烯酸甲酯的质量分数为0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸苄酯的质量分数为0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的质量分数为17wt.%-21wt.%，掺杂的增益介质的质量分数为0.1wt.%-0.4wt.%，引发剂过氧化二月桂酰的质量分数为0.5wt.%-1.5wt.%，掺杂的纳米颗粒的质量分数为0.01wt.%-0.1wt.%。

如图1所示，基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器制备过程包括以下步骤：

第一步：使用teflon法制备聚合物空芯预制棒。把精制过后的一定比例的甲基丙烯酸甲酯（66.7wt.%-88.9wt.%）和丙烯酸丁酯（11.1wt.%-33.3wt.%）、引发剂过氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及链转移剂正丁硫醇（0.1wt.%-0.3wt.%）搅拌均匀灌入teflon管中，中间用teflon绳牵引出来并固定在模具中，密封后放入加热箱中，通过以下加热程序热固化：30-50ºc，每24h升温5ºc；50-90ºc，24h升温10ºc。单体热聚合后，抽出teflon绳得到空芯的聚合物预制棒。

第二步：激光增益介质掺杂纳米颗粒的聚合物光纤制作。将聚倍半硅氧烷（poss）纳米颗粒（0.01wt.%-0.1wt.%）、激光增益介质分子（0.1wt.%-0.4%wt.%）、一定比例的芯层单体甲基丙烯酸甲酯（7wt.%-85wt.%）和甲基丙烯酸苄酯（15wt.%-30wt.%）、引发剂过氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及链转移剂正丁硫醇（0.1wt.%-0.3wt.%）搅拌均匀注入空芯的聚合物预制棒的空芯中，避免产生气泡，密封后，采用同样的加热程序，芯层单体聚合后，得到纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤预制棒。

第三步：将poss纳米颗粒掺杂的聚合物光纤预制棒放入拉丝机中进行拉丝，加热炉的温度升到190ºc，通过控制预制棒的送料速度和光纤拉丝速度来控制光纤的直径。

如图2所示，室温下用透射电子显微镜观察无序聚合物光纤截面可获得poss纳米颗粒在聚合物光纤中的分布图。poss纳米颗粒平均直径为150nm，这是由于在分子聚合作用下,poss分子间相互吸引聚合形成的。有机聚合物分子链之间的相互作用使得poss纳米颗粒在无序聚合物光纤纤芯中完美分散。

如图3是染料分子掺杂含有poss纳米颗粒的无序聚合物光纤在不同泵浦能量下的发射谱变化图。在25µj的低泵浦能量下，可看到中心波长约为577.0nm的自发辐射光谱，半峰宽约为11.7nm。当泵浦能量超过51µj时，就可以看到放大自发辐射，多模激光光谱变窄，以113µj的泵浦能量为例，主峰波长约为577.5nm，半峰宽约为0.8nm，这一系列尖锐峰说明了相干随机激光的产生。

本发明公开了一种基于纳米颗粒掺杂的无序聚合物光纤随机激光器，聚合物光纤随机激光的阈值进一步被降低，尚能控制聚合物光纤随机激光的发射波长，有望应用于光纤传感和光电集成系统，同时聚合物光纤随机激光器由于低成本和弯曲性好的特点可以有应用于微纳光学集成系统的前景。