CN103326229B - 一种具有热光开关特性的随机激光出射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，包括激光器、盒结构、用于扩展所述激光器发出的激光束直径，并聚焦激光束到所述盒结构内的光路，以及连接盒结构的温度控制器；其中，所述盒结构包括上玻璃片、下玻璃片、由所述上玻璃片和下玻璃片形成的高度为微米级的腔体；所述腔体填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液。同传随机激光装置比较，本发明的具有热光开关特性的随机激光出射装置可以在较低温度下实现机激光出射装置开关功能；采用本发明的随机激光装置不需要额外的耦合器件，降低了成本也降低了能耗。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种具有热光开关特性的随机激光出射装置。
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。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。在半导体及激光晶体粉末，掺杂纳米颗粒的染料溶液及聚合物，染料渗透的蛋白石、生物组织、烧结玻璃、光纤以及掺杂染料的液晶材料等无序增益***中，当多重散射的强度足以将光子在增益介质中的游走路程增大到大于增益长度，使有效泵浦体积大于临界体积，***中的增益将大于损耗，在扩散及局域模式就可以得到相干随机受激辐射。
传统随机激光装置中，随即激光的出射与关断是通过控制微结构热光开关实现的。在光传输过程中通过温度改变波导的折射率达到开关的目的，且传统热光开关的开关温度为60℃-80℃，能耗大。传统微结构热光开关大多采用如下方法制成：采用激光在玻璃基底、硅片以及半导体材料上刻蚀出不规则沟槽；利用PDMS方法制作出微流体结构；利用化学方法，如干法腐蚀，湿法腐蚀制作微结构，采用上述方法制作热光开关工艺过于复杂。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种工艺简单、能耗低的具有热光开关特性的随机激光出射装置。
技术方案：一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，包括激光器、盒结构、用于扩展所述激光器发出的激光束直径，并将激光束聚焦到所述盒结构内的光路，以及连接盒结构的温度控制器；其中，所述盒结构包括上玻璃片、下玻璃片、由所述上玻璃片和下玻璃片形成的高度为微米级的腔体；所述腔体填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，所述高分子聚合物为含硅类聚合物体系。
其中，所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液包括如下组份，以质量百分比计：
四甲氧基硅烷或硅酸乙酯或氧化硅39％-47％，
聚乙二醇或聚环氧乙烷或聚乙烯醇0.6％-7％，
乙酸或硝酸或盐酸溶液49％-53％，
激光染料溶液0.01％-0.15％；
其中，所述乙酸或硝酸或盐酸溶液浓度为0.01mmol/L，所述激光染料的浓度为10-4-10-2mol/L；
所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液配置方法如下：将上述组分混合后，在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，所得澄清溶液为所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液。
作为本发明的优选方案，所述温度控制器紧贴在所述盒结构的下玻璃片上。
作为本发明的改进，还包括水平设置在所述盒结构一侧的会聚透镜。所述盒结构腔体的四周设有用来封口的封口胶。
有益效果：本发明的一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，利用毛细现象将掺杂激光染料的高分子聚合物溶液灌入由玻璃片形成的高度为微米级的腔体内；激光器发出的激光束通过平凸柱面透镜会聚成条状垂直照射到盒结构内进行泵浦，使用平凸柱面透镜对出射随机激光的方向具有导向作用。本发明制作工艺较现有技术的光刻、镀膜、刻蚀等方法更为简单，从而大大降低制作成本。传统热光开关的开关温度为60℃-80℃，本发明的盒结构的开关温度为30℃-40℃，因此本发明的具有热光开关特性的随机激光出射装置可以在较低温度下实现随机激光开关功能，从而降低随机激光装置整体能耗。且同传随机激光装置比较，采用本发明的随机激光出射装置不需要额外的耦合器件，从而即降低了成本也降低了能耗。
附图说明
图1是本发明装置实施例1的结构示意图；
图2是本发明的盒结构示意图；
图3是本发明装置实施例2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，包括激光器、盒结构、用于扩展激光器发出的激光束直径，并将激光束聚焦到盒结构内的光路，以及连接盒结构的温度控制器；其中，盒结构包括上玻璃片、下玻璃片、由上玻璃片和下玻璃片形成的高度为微米级的腔体；腔体填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，高分子聚合物为含硅类聚合物体系。
其中，含硅类聚合物体系为四乙基硅酸盐类物质或四甲基硅酸盐类物质中加入醇盐类物质或酸类物质。光路采用平凸柱面透镜将激光器发出的激光束聚焦到盒结构内。温度控制器紧贴在盒结构的下玻璃片上。还包括水平设置在盒结构一侧的会聚透镜。盒结构腔体的四周设有用来封口的封口胶。
根据下述实施例，可以更好的理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1：如图1所示，一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，包括位于同一水平线上的激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、与激光器1所在水平线成45°设置的反射镜4；该装置还包括平凸柱面透镜5，平凸柱面透镜5的平面与反射镜4的反射面成45°设置。该装置还包括盒结构6、会聚透镜7、温度控制器9。其中，如图2所示，盒结构包括上玻璃片61、下玻璃片62、由上玻璃片61和下玻璃片62形成的高度为微米级的腔体63。腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，所填充的高分子聚合物体系具有热光开关特性。腔体63的四周设有用来封口的封口胶64。盒结构6的上玻璃片61正对平凸柱面透镜5的凸面，会聚透镜7水平设置在盒结构6的一侧。在本实施例中温度控制器9选用深圳精良和科技有限公司的恒温加热台：型号为P-10，盒结构6的下玻璃片62紧贴于恒温加热台表面。在会聚透镜7另一侧放置探测器8，用来探测到随机激光的出射光谱的变化。
本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该掺杂激光染料的高分子聚合物溶液为包括如下组份，以质量百分比计：四甲氧基硅烷39％、聚乙二醇6.9％、乙酸溶液54％、激光染料溶液0.1％；其中，乙酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-4mol/L。首先将四甲氧基硅烷和聚乙二醇溶于乙酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为罗丹明6G，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。加热至40℃以上，此时溶液变浑浊，开始发生相分离，产生粗糙多孔结构。当温度重新降低至40℃以下后，浑浊消失，溶液重新变澄清。
具有热光开关特性的随机激光出射装置通过搭建的光路，使激光器1发出的泵浦光经第一凸透镜2、第二凸透镜3扩展激光束直径后，经过反射镜4反射到平凸柱面透镜5的平面，通过平凸柱面透镜5汇聚成条状光斑聚焦在盒结构6内。由于掺杂激光染料的高分子聚合物溶液随温度的变化，聚合物的溶解度会发生很大改变，因此通过温度控制器9改变盒结构6内部温度，使高分子聚合物和激光染料有机溶剂发生相分离，成核并生长，在盒结构6的下玻璃片62表面形成粗糙多孔结构。通过上述凝聚法引发的掺杂激光染料的高分子聚合物溶液相分离温度一般为30℃-40℃。同时，由于掺杂激光染料的高分子聚合物溶液随温度的变化，会出现部分互溶或完全不互溶，将聚合物溶液的温度降低到某一温度以下或升高到某一温度以上，就有可能出现相分离现象，前一温度称为高临界溶解温度(UCST)，后一温度称为低临界溶解温度(LCST)。通过上述原理，掺杂激光染料的高分子聚合物溶液有两种相分离机理：成核与增长机理(NG)和旋节分离机理(SD)。成核与增长机理最终会形成岛状结构。旋节分离机理会形成相连的槽状结构。在聚合物浓度较低的情况下，旋节分离机理也会生长为岛状结构。以上所述过程可逆，即当温度又重新回到高临界溶解温度和低临界溶解温度之间时，聚合物溶液体系又可以回到均相体系。
当掺杂激光染料的高分子聚合物溶液处于均相状态时，盒结构下玻璃片62上无粗糙岛状结构、沟槽结构和多孔结构，盒结构6无法获得产生随机激光所必须的散射条件，当激光照射到盒结构6后，产生出射光为荧光或自发辐射放大现象(ASE)。而当盒结构6通过温度控制器9改变聚合物溶液的温度发生相分离后，在盒结构的下表面形成粗糙岛状结构、沟槽结构或多孔结构，整个体系散射程度增强，从而当激光照射到盒结构6后，可以获得随机激光出射。
实施例2：如图3所示，一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，包括在同一垂直线上的依次设置的激光器1、第一凸透镜2、第二凸透镜3、平凸柱面透镜5、盒结构6；其中，平凸柱面透镜5的平面侧靠近第二凸透镜3。该装置还包括会聚透镜7、温度控制器9；盒结构6的上玻璃片61正对平凸柱面透镜5的凸面，会聚透镜7水平设置在热光开关6的一侧，温度控制器9紧贴在盒结构6的下玻璃片62上，在会聚透镜7另一侧放置探测器8，用来探测到随机激光的出射光谱的变化。具有有热光开关特性的随机激光出射装置通过搭建的光路，使激光器1发出的泵浦光经第一凸透镜2、第二凸透镜3扩展激光束直径后，直接通过平凸柱面透镜5汇聚成条状光斑聚焦在盒结构6内。
本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液为含硅类聚合物体系，包括如下组份，以质量百分比计：硅酸乙酯47％、聚环氧乙烷0.6％、硝酸溶液52.39％、激光染料溶液0.01％；其中，硝酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-3mol/L。首先将硅酸乙酯和聚环氧乙烷溶于硝酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为7-二乙胺基-4-甲基香豆素，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。其余部分同实施例1。
实施例3：本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液为含硅类聚合物体系，包括如下组份，以质量百分比计：氧化硅41.9％、聚乙烯醇7％、盐酸溶液51％、激光染料溶液0.1％；其中，盐酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-2mol/L。首先将氧化硅和聚乙烯醇溶于盐酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为2，5-二苯基氧氮环戊二烯，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。其余部分同实施例1。
实施例4：本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液为含硅类聚合物体系，包括如下组份，以质量百分比计：四甲氧基硅烷41％、聚环氧乙烷5.95％、盐酸溶液53％、激光染料溶液0.05％；其中，盐酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-2mol/L。首先将四甲氧基硅烷和聚环氧乙烷溶于盐酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为罗丹明123，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。其余部分同实施例1。
实施例5：本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液为含硅类聚合物体系，包括如下组份，以质量百分比计：硅酸乙酯45％、聚乙烯醇2.88％、乙酸溶液52％、激光染料溶液0.12％；其中，乙酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-2mol/L。首先将硅酸乙酯和聚乙烯醇溶于乙酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为2，5-二苯基氧氮环戊二烯，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。其余部分同实施例1。
实施例6：本实施例中，腔体63利用毛细现象填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，该高分子聚合物溶液为含硅类聚合物体系，包括如下组份，以质量百分比计：氧化硅43％、聚环氧乙烷5.93％、硝酸溶液51％、激光染料溶液0.07％；其中，硝酸溶液浓度为0.01mmol/L，激光染料的浓度为10-2mol/L。首先将氧化硅和聚环氧乙烷溶于硝酸溶液中，再掺入激光染料，这里激光染料为罗丹明B，然后在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，最后将所得澄清溶液灌入腔体63中。其余部分同实施例1。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，其特征在于：包括激光器、盒结构、用于扩展所述激光器发出的激光束直径，并将激光束聚焦到所述盒结构内的光路，以及连接盒结构的温度控制器；其中，所述盒结构包括上玻璃片、下玻璃片、由所述上玻璃片和下玻璃片形成的高度为微米级的腔体；所述腔体填充掺杂激光染料的高分子聚合物溶液，所述高分子聚合物为含硅类聚合物体系。
2.根据权利要求1所述的一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，其特征在于：所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液包括如下组分，以质量百分比计：
四甲氧基硅烷或硅酸乙酯或氧化硅39％-47％，
聚乙二醇或聚环氧乙烷或聚乙烯醇0.6％-7％，
乙酸或硝酸或盐酸溶液49％-53％，
激光染料溶液0.01％-0.15％；
其中，所述乙酸或硝酸或盐酸溶液浓度为0.01*10-3mol/L，所述激光染料的浓度为10-4-10-2mol/L；
所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液配置方法如下：将上述组分混合后，在冰水浴中剧烈搅拌20-40分钟，所得澄清溶液为所述掺杂激光染料的高分子聚合物溶液。
3.根据权利要求1所述的一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，其特征在于：所述温度控制器紧贴在所述盒结构的下玻璃片上。
4.根据权利要求1所述的一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，其特征在于：还包括水平设置在所述盒结构一侧的会聚透镜。
5.根据权利要求1所述的一种具有热光开关特性的随机激光出射装置，其特征在于：所述盒结构腔体的四周设有用来封口的封口胶。
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