一种基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器的制作方法

本发明属于随机激光器技术领域，涉及一种随机激光器，特别涉及一种基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器。

背景技术：

随机激光器(randomlaser)与传统激光器相比，不须制作两个特定的反射镜来形成谐振腔结构，而是利用光在激光增益材料中的散射效应自发地形成闭合光回路，光在这些闭合回路中不断传播并产生较大的光反馈或增益，最终实现随机激射。随机激光器制作工艺简单，成本低，且可以通过改变激光增益材料来实现激光波长的调控，使得其在光学成像、投影、显示、医疗检测以及军事等领域具有重要的应用价值。

光反馈分为两种类型，分别是相干反馈(coherentfeedback)和非相干反馈(incoherentfeedback)。根据光的反馈类型，随机激光器可以分为相干随机激光器和非相干随机激光器(d.s.wiersma,thephysicsandapplicationsofrandomlasers.nat.phys.2008,4:359；h.cao,etal.,photonstatisticsofrandomlaserswithresonantfeedback.phys.rev.lett.2001,86:4524)。一般而言，相干与非相干随机激光器可以通过激光光谱来辨别：激光光谱带有许多尖锐发光峰的为相干随机激光器，激光光谱为光滑谱线的则为非相干激光器。相干或非相干随机激光取决于激光增益材料中光传播的平均自由程与增益材料散射长度之间的关系：如果增益材料散射长度大于光传播的平均自由程，而这个平均自由程又大于激光发射波长，那么得到的光反馈是非相干的，产生的随机激光也是非相干的；反之，如果光传播的平均自由程与激光发射波长相当，那么得到的光反馈是相干的，产生的随机激光也是相干的(g.e.weng,etal.,picosecondrandomlasingbasedonthree-photonabsorptioninorganometallichalidech3nh3pbbr3perovskitethinfilms.acsphoton.2018,5:2951；c.t.dominguezetal.,three-photonexcitationofanupconversionrandomlaserinzno-on-sinanostructuredfilms.j.opt.soc.am.b2014,31:1975)。

目前，基于粉末、凝胶或薄膜激光增益材料的随机激光器主要采用的是表面平整的衬底，其随机激射阈值相对较高。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器，该随机激光器具有制作工艺简单，成本低，且可以通过改变激光增益材料来实现激光波长的调控等优点。同时本发明还提供了所述随机激光器的具体应用。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器，所述随机激光器结构包括图形化衬底和设置于所述衬底表面的具有高散射能力的激光增益材料；其中，所述图形化衬底具有周期性或非周期性图形结构；所述激光增益材料为氧化锌、氮化镓或卤素钙钛矿等高增益半导体材料，材料形态为粉末、凝胶或薄膜，材料颗粒尺寸为100纳米～10微米，材料厚度为2微米～500微米。

所述图形化衬底为硅衬底、蓝宝石衬底、聚合物衬底、碳化硅衬底、氮化镓衬底或石英衬底。

所述周期性或非周期性图形结构采用光刻、湿法刻蚀、干法刻蚀、纳米压印或自组装方法来制备，其中干法刻蚀包括反应离子刻蚀、感应耦合等离子体刻蚀及高密度等离子体刻蚀。

所述周期性或非周期性图形结构包括光子晶体结构、光栅结构、微透镜阵列及自组装图形结构。

所述周期性或非周期性图形结构的图形尺寸为微米或纳米量级，图形形状包括圆锥型、金字塔型、半球型、蒙古包型、圆柱型、沟槽型、凹坑型、火山口型、条纹型及圆孔型。

本发明所述的低阈值光泵浦随机激光器，采用的泵浦光源为连续或脉冲激光光源；泵浦光源的激光波长为300纳米～2000纳米；光泵浦机制是通过下转换，即单光子吸收或上转换，即多光子吸收的方式来产生随机激光，随机激光的波长通过选取不同的激光增益材料来控制。

本发明采用的图形化衬底能够有效增强图形界面处光的散射效应，进而改变光在激光增益材料中的传播路径，使得部分耗散光经过图形化衬底的反射后能够重新进入增益材料内的闭合光回路中，提高该闭合光回路的光反馈(或增益)，最终实现低阈值光泵浦随机激光输出。

本发明提供的随机激光器具有制作工艺简单，成本低，且可以通过改变激光增益材料来实现激光波长的调控等优点，其应用前景十分广阔，特别是在光学成像、投影、显示、医疗检测和军工等领域。

附图说明

图1为所述基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器结构示意图；

图2为图形化蓝宝石衬底上合成ch3nh3pbbr3钙钛矿薄膜后的扫描电镜图；

图3为上述钙钛矿随机激光器在光泵浦条件下获得随机激光的装置示意图；其中“→”表示泵浦光源的激光传播方向，“---＞”表示随机激光的传播方向；

图4为光在上述钙钛矿晶粒间反生随机散射并形成闭合光回路的示意图；

图5为光在图形化蓝宝石衬底的图形界面处发生随机散射的示意图；其中，“→”表示ch3nh3pbbr3钙钛矿薄膜产生的自发辐射光的传播方向；

图6为上述钙钛矿随机激光器的非相干随机激射光谱；

图7为不同钙钛矿合成条件下的随机激光器的相干随机激射光谱。

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。

实施例1

1)图1为所述基于图形化衬底的低阈值光泵浦随机激光器结构示意图。首先采用光刻及感应耦合等离子体(icp)刻蚀技术制备获得图形化蓝宝石衬底11，并对其表面进行清洗；所述图形化蓝宝石衬底的图形为圆锥型，圆锥直径为2.9微米，高度为1.9微米，间距为0.26微米；然后在所述图形化蓝宝石衬底上合成ch3nh3pbbr3钙钛矿薄膜12，所述钙钛矿薄膜厚度约为5微米，是由许许多多的钙钛矿晶粒所构成，钙钛矿晶粒的尺寸为500纳米～5微米。上述结构中，钙钛矿晶粒既作为激光增益材料，同时也作为光的散射介质。

2)图2为上述制备的基于图形化蓝宝石衬底的ch3nh3pbbr3钙钛矿随机激光器的扫描电镜图(俯视图)。从图中可以清楚地看到图形化蓝宝石衬底上的圆锥阵列以及制备的ch3nh3pbbr3钙钛矿晶粒。

3)图3为上述钙钛矿随机激光器在光泵浦条件下获得随机激光的装置示意图。装置包括：400纳米脉冲激光光源31、全反镜32、半透半反分束镜33、直径为50毫米焦距为80毫米的聚焦透镜34以及用于检测随机激光信号的光谱仪35。

4)在400纳米脉冲激光的泵浦下，ch3nh3pbbr3钙钛矿薄膜产生大量的自发辐射光，这些自发辐射光在上述钙钛矿晶粒41之间反生随机散射，这些随机散射光会形成特定的闭合光回路42，如图4所示，当闭合光回路中的增益足够大时即产生随机激光。在这些自发辐射光的传播过程中，图形化蓝宝石衬底可以有效改变其在图形界面处的传播方向，如图5所示，这使得部分耗散光经过图形化衬底的反射后有机会重新进入到上述闭合光回路中，从而提高该闭合光回路的光反馈(或增益)，最终实现低阈值光泵浦随机激光输出。

5)图6为上述基于图形化蓝宝石衬底的ch3nh3pbbr3钙钛矿随机激光器的非相干随机激射光谱。激光光谱较为平滑，此时增益材料散射长度大于光传播的平均自由程，且所述平均自由程又大于激光发射波长，得到的光反馈是非相干的，产生的随机激光也是非相干的。

6)改变ch3nh3pbbr3钙钛矿的合成条件，可以得到不同晶粒尺寸的钙钛矿薄膜，当光传播的平均自由程与激光发射波长相当时，得到的光反馈是相干的，那么产生的随机激光也是相干的，如图7所示为不同钙钛矿合成条件下的随机激光器的相干随机激射光谱。

本发明的保护内容不局限于以上实施例。在不背离发明构思的精神和范围下，本领域技术人员能够想到的变化和优点都被包括在本发明中，并且以所附的权利要求书为保护范围。