本发明涉及一种基于双受激发射竞争实现的超快光开关及其制备方法，属于光电材料和器件技术领域。
背景技术
光开关是对光信号进行开关的器件，在光通信、计算、传感、遥感等领域有广泛的应用。光开关分为全光开关和电光开关，电光开关主要利用热光效应、磁光效应、电光效应等实现光开关的，目前已经广泛应用在各个领域。全光开关是通过非线性折射、吸收、反射等机理实现以光控光的目的。对全光开关而言目前普遍存在响应速度较快(达到皮秒～亚皮秒量级)，但关闭时间较长的问题。主要原因是光激发产生的激发态物种寿命较长，通常在纳秒量级以上，实现纳秒量级以下突破激子寿命限制的全光开关仍然面临挑战。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种基于双受激发射竞争实现的超快光开关及其制备方法，本发明制备方法简单，开关开启速度快且关闭速度也快。
本发明提供的基于双受激发射竞争实现的超快光开关的制备方法，包括如下步骤：
(1)将有机半导体材料制备成微腔；
(2)在所述微腔上通过下述步骤1)-2)实现双受激发射：
1)将泵浦光源耦合到所述微腔上；
2)将信号光源耦合到经步骤1)处理的所述微腔上；
(3)调整耦合到所述微腔上的所述泵浦光源和所述信号光源的强度和相对延时，即得到所述基于双受激发射竞争实现的超快光开关。
上述的制备方法中，所述有机半导体材料包括2,5-双(4-联苯基)噻吩(英文简称bp1t)。
上述的制备方法中，制备所述微腔采用超声辅助再沉淀法或挥发法；
所述超声辅助再沉淀法包括如下步骤：将所述有机半导体材料的粉末与有机溶剂1混合，加热溶解，得到所述有机半导体材料的溶液；然后将所述溶液超声并降温至所述溶液中出现浑浊，静置，降至室温，吸取上清液分散到石英片上，即得到所述微腔；
所述有机溶剂1为高沸点有机溶剂；
挥发法包括如下步骤：将所述有机半导体材料的粉末溶解于有机溶剂2中，得到所述有机半导体材料的溶液；取上述溶液滴于石英片上，置于密闭的容器中，所述有机溶剂2挥发后即得到所述微腔；
所述有机溶剂2为易挥发溶剂。
上述的制备方法中，所述有机溶剂1选自甲苯、氯苯和1,4-二氧六环中的至少一种；
所述有机溶剂2选自二氯甲烷、三氯甲烷和四氢呋喃中的至少一种。
上述的制备方法中，所述泵浦光源的波长在所述有机半导体材料的吸收波长范围之内；
所述信号光源的光路具有调节所述信号光源延时的能力。
上述的制备方法中，所述泵浦光源和所述信号光源是由一台激光器发出的激光经半透半反镜分成的两束激光；
所述激光器的脉冲宽度为150飞秒，重复频率为1000hz，输出波长为800nm。
上述的制备方法中，调整所述泵浦光源和所述信号光源的强度和相对延时的操作如下：
在挡住所述信号光源的情况下，调节所述泵浦光源的强度，通过光谱观察所述微腔中受激发射的情况；将465nm处受激发射即将出现的能量作为所述泵浦光源的能量，以使得所需的信号光源的能量最低；调节所述信号光源的强度，使其在465nm处强度至光谱仪可以检测到为止。
本发明还提供了上述的制备方法制备得到的所述基于双受激发射竞争实现的超快光开关。
本发明所述超快光开关的响应时间为小于10皮秒；
所述超快光开关的能量为1～10微焦每平方厘米；
所述超快光开关的开关比为1～1000。
本发明中，开关比为本领域公知常识，是光开关在开启和关闭的信号强度比值。
本发明具有以下优点：
1、受激发射条件下，激发态物种的寿命大大缩短，到皮秒～亚皮秒量级。有效解决的传统光开关开启速度快而关闭速度慢的问题。
2、有机半导体材料能在较低泵浦密度下实现受激发射，能有效降低光开关所需的泵浦密度。
3、微腔制备方法简单，可溶液加工，成本低。
附图说明
图1是本发明中所用的有机半导体材料的化学结构式。
图2是本发明制备得到的微腔；其中图2a为采用超声辅助再沉淀法制得的微腔，图2b为采用挥发法制得的微腔。
图3是本发明制备得到的微腔受激发射位置和能量依赖的竞争关系；其中图3(a)为三维图为不同泵浦能量下微腔激光发射光谱形状，图3(b)为二维图为不同能量下激光发射强度与泵浦能量关系图，其中ⅰ、ⅱ、ⅲ分别代表不同能量泵浦下三个发光阶段，即阈值以下未出激光、495nm处出现激光465nm处处未出现激光、465nm处出现激光并与495nm出激光竞争。
图4是本发明全光开关所采用的光路图。
图4中各个标记如下：
1激光器；2、5半透半反镜；3延时线；4反射镜；6bbo晶体倍频；7补偿光路；8样品；9光谱仪
图5是本发明全光开关时间响应。
图6是本发明的时间分辨光谱；其中图6ⅰ为泵浦能量为2μj/cm2时间分辨光谱，图6ⅱ为泵浦能量为10μj/cm2时间分辨光谱，图6ⅲ为泵浦能量为20μj/cm2时间分辨光谱。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例1、
一、微腔的制备
1、超声辅助再沉淀法：将bp1t粉末(10mg)置于耐压管中，加入10毫升的有甲苯并加热至粉末完全溶解。将上述溶液置于超声清洗机中降温至溶液刚刚出现浑浊，取出静置，降至室温。用滴管吸取上述液体，分散到石英片上，可观察到六边形bp1t六边形微腔(即微腔)，如图2a所示；其中有机溶剂为甲苯。
2、挥发法：将1mgbp1t粉末完全溶解于四氢呋喃中，取100微升上述溶液，滴于石英片上，并用封口膜封口。待溶剂挥发结束后，可以观察到bp1t六边形微腔(即微腔)，如图2b所示。有机溶剂可为二氯甲烷、三氯甲烷或四氢呋喃，其中四氢呋喃效果最好。
二、利用双受激发射竞争的超快光开关实现
1、光路设置
如图4所示，激光器由一套由半导体激光器泵浦的激光系统，脉冲宽度为150飞秒，重复频率为1000hz，出光波长为800nm。
由激光器1中导出的800nm激光由半透半反镜2将激光分成两束，一束作为泵浦光源，一束作为信号光源。信号光源经过延时线3通过半透半反镜5到达bbo晶体倍频6为400nm光。泵浦光源经过补偿光路7后也到达bbo晶体倍频6。调节反射镜4和延时线的长短，使得泵浦光源和信号光源在经过半透半反镜5后共线，并将在半透半反镜5处观察到干涉现象时定义为相对延时的零时刻。
将共线后的泵浦光源和信号光源导入共聚焦显微镜，通过扩束镜使得光斑直径在20微米左右。利用倒置镜头收集样品发射的光，通过光纤导入到液氮冷却的ccd光谱仪。
2、确定光开关所需的能量
在挡住信号光源的情况下，调节泵浦光源的强度，通过光谱观察微腔中受激发射的情况。将465nm处受激发射即将出现的能量作为泵浦光源的能量，以使得所需的信号光源的能量最低。调节信号光源的强度，使得465nm强度至光谱仪可以检测到。
图3可以看出，465nm处受激发射和495nm处受激发射是一个能量依赖的过程。在调整泵浦光源和信号光源的相对延时的过程中，如果两束光的延时完全重合，则可以满足465nm受激发射所需的泵浦能量，465nm处表现出强烈的受激发射，光开关完全开启；当两束光的延时部分重合时，仍然能够满足465nm受激发射所需的能量，465nm处发射仍然可以发生，强度相对较弱；当两束光的延时完全分离，465nm处受激发射不能发生，光开关处于关闭状态。
3、光开关的基本参数
图5为本发明光开关响应的示意图，当信号光源与泵浦光源相对延时为0时，465nm处受激发射达到最大，光开关为完全开启状态；当信号光源与泵浦光源相对延时为300飞秒时，465nm处受激发射仍然存在，光开关处于半开启状态；当信号光源与泵浦光源相对延时大于500飞秒时，465nm处受激发射不能发生，光开关处于关闭状态。
图6为时间分辨的荧光光谱，横轴是波长，纵轴是采集光谱的相对延时。由图6i中可以发现，当泵浦能量低于激光阈值时，激发态物种寿命为0.77纳秒；当泵浦能量超过激光阈值以后，激发态物种寿命迅速缩短到10皮秒以内。
时间响应：由图6可知，图6i不是受激发射状态，它的寿命是0.77纳秒，根据图6中ii、iii的延时响应确定的激发态物种寿命是在10皮秒以内的。本发明受激发射状态下激发态物种寿命大大缩短至10皮秒以下，超出仪器响应范围。
开关能量：1～10微焦每平方厘米。
开关比：实验中能实现的最大开关比1000。
上述是对于本发明最佳实施工艺详细描述，由于对于本领域技术人员而言，在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本发明，因此，本发明不局限于上述具体的形式和细节。