CN107221833A - 一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，所述随机激光阵列器件由下至上依次为泵浦光源(6)、基底(1)、底电极(21)、介质层(3)、由间隔层(4)所围成的激光腔室单元(5)、顶电极(22)，***驱动电路(7)通过连接底电极(21)和顶电极(22)形成闭合回路。本发明的可调谐随机激光阵列器件可以打出两种光源：普通照明光和随机激光。通过改变工作电压实现在两种光源之间快速切换，且所打出的随机激光与现有的一些随机激光器件相比，具有阈值低、方向性动态可调谐、效率高等优点。

Description

一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件
技术领域
本发明属于激光技术、金属纳米材料及微光机电技术等领域，尤其涉及一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件。
背景技术
随机激光是一种不需要谐振腔的新型原理的激光，和传统的激光器相比，它不需要谐振腔，由其所包含的随机增益介质中的多重散射效应形成激光，随机增益介质能够对光实现有效的散射及放大。对于随机激光而言，通常需要引入新的纳米光源的技术，利用各种纳米结构提升光与物质相互作用。进一步增强随机增益介质的散射特性，从而降低随机激光的阈值，提升随机激光器的能耗等各方面性能。随机激光器未来发展的趋势是阵列化，激光波长和辐射方向的快速可调谐，动态化。然而，目前已有技术远远无法满足上述需求，例如：TiO2薄膜随机激光器、ZnO薄膜随机激光器及胶体溶液中掺杂染料微粒的随机激光器等均无法实现动态的可调谐，这将极大的限制随机激光器在光电集成、光子集成等一系列方面的应用。为了充分拓展随机激光器的应用，需要引入一些新的技术来满足上述应用需求。
局域等离激元共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)是金属纳米结构在亚波长范围内与光强烈相互作用引发的共振增强效应，能够将光局域在深度亚波长的范围内，随之而来会带来各种效应。1.当金属纳米颗粒之间的间距在一定范围内越来越大或越来越小时，其LSPR峰值会对应发生红移或蓝移。2. 产生热点效应，金属纳米颗粒的局域表面等离共振效应能够使得颗粒表面的光场强度显著增强。3.当金属颗粒的LSPR峰与量子点等光致发光材料的发光峰匹配时，能够增强量子点等材料的光致发光效率。这种技术非常适合提升随机激光器的性能，例如：当随机激光器中加入金属纳米材料后，由于金属纳米材料的光致发光增强效应，将更容易抽运激光染料分子，降低激光器阈值。此外等离激元效应与金属纳米结构间距密切相关，如果间距能够在一定范围内改变，则光谱，共振强度，散射特性，谱线宽度等参数也会随之发生改变。如果能实现动态的间距调节，就可以实现辐射光谱、方向性的动态可调谐的随机激光。
电润湿(Electrowetting，EW)是指通过改变液滴与绝缘基板之间电压，来改变液滴在基板上的润湿性，即改变接触角，使液滴发生形变、位移的现象。电润湿技术是一种利用油水两相界面效应在微米尺度实现液滴的动态调谐。这种技术具有响应速度快、可调范围大、面积弧度均为调节、成本低等优点。是一种新型的动态可调谐技术，并已在微透镜、电润湿显示和微流体实验室等方面有着广泛应用。本发明提出将这种技术与等离激元纳米颗粒的LSPR效应结合起来用于研制全新概念的随机激光器，将具有激光阈值低、方向性及激光光谱动态可调谐等特性。
此外，单个的金属纳米颗粒的只能形成一个LSPR窄峰，这将极大的限制金属纳米颗粒的应用波段，而将金属纳米颗粒组装成薄膜后，所组装的金属纳米颗粒薄膜的共振峰等同于每个金属纳米颗粒LSPR窄峰的叠加，从而形成宽光谱的 LSPR共振。在所有金属纳米结构自组装的方法中，油水两相界面是非常理想的界面自组装方法，金属纳米颗粒经过配体表面修饰后会改变表面的活化能，加入到油水中后可自动在油水两相界面处形成薄膜。相比较其它自组装方法而言，所自组装的金属颗粒薄膜稳定且面积可随意控制。
这些丰富的新机理、新技术在微纳技术领域能够发挥重要的作用，并有着广泛的应用。如:基于电润湿的微纳结构器件、基于金属纳米材料LSPR效应的防伪技术、光催化等等。本发明针对现有随机激光器阈值较高及激光波长、辐射方向无法调谐等瓶颈问题，并结合上述新机理、新技术提出了一种低阈值、动态可调谐的随机激光阵列器件，对于随机激光器在光子集成，光电集成等方面的应用有着重要意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的是为了解决现有的随机激光器存在激光阈值高、辐射光谱、方向性不可调谐等瓶颈问题。提出了一种基于电润湿的低阈值随机激光器的结构，能够有效的降低激光阈值并动态的调谐激光波长和激光的方向性，制备工艺简单，并能制备成阵列化的随机激光器。
技术方案：本发明的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件由下至上依次为泵浦光源、基底、底电极、介质层、由间隔层所围成的激光腔室单元、顶电极，***驱动电路通过连接底电极和顶电极形成闭合回路。
所述的基底为硅片、蓝宝石、云母基片或聚合物材料所形成的透明基底；
所述的底电极和顶电极的材料为氧化铟锡ITO、掺氟氧化锡FTO或石墨烯材料，
所述的介质层由两层电介质组成，下层是无机绝缘介质层，供选材料为SiN、 Al2O3或Si，上层是低表面应力的聚合物介质层，供选材料为含氟聚合物Cytop 或Teflon的各种疏水性的聚合物材料；上层介质层直接旋涂在下层介质层上，厚度范围为0.7微米至0.9微米。
所述的间隔层供选材料为聚乙二醇，聚丙烯酰胺、聚酰胺的亲水性聚合物材料。
所述的激光腔室单元由第一溶剂、第二溶剂、溶于第一溶剂中的金属纳米颗粒A和激光染料分子a、溶于第二溶剂中金属纳米颗粒B和激光染料分子b及由金属纳米颗粒C在第一溶剂和第二溶剂界面处自组装的金属纳米颗粒薄膜组成；第一溶剂供选材料为水或盐水溶液，表面应力范围为50～90dynes/cm；第二溶剂供选材料为烷、烃或醇，表面应力范围为20～40dynes/cm；第二溶剂不溶于或微溶于第一溶剂。所述的两种激光染料分子和三种金属纳米颗粒分别需要经过特定的表面配体进行修饰，供选材料包括四丁基溴化铵、十六烷基三甲基溴化铵、聚乙烯吡咯酮等，油胺油酸正十二硫醇,油胺，巯基丙酸等巯基配体。
所述的金属纳米颗粒A和金属纳米颗粒B为金、银、铜纳米颗粒，形貌为纳米球、纳米棒、纳米三角板或核壳纳米结构，颗粒尺寸范围为几十纳米至几百纳米；金属纳米颗粒A和金属纳米颗粒B的局域表面等离激元共振峰位于可见光至近红外波段；金属纳米颗粒A经过表面配体后溶于第一溶剂，金属纳米颗粒B经过表面配体修饰后，溶于第二溶剂，金属纳米颗粒C经过表面配体修饰后在第一溶剂与第二溶剂界面处自组装成膜，激光染料分子a和激光染料分子b 分别经过表面配体和表面配体修饰后分别溶于第一溶剂与第二溶剂。
激光染料分子a和激光染料分子b供选材料为量子点光致发光材料、罗丹明或香豆素衍生物激光染料，发光峰位于可见光至近红外波段。
金属纳米颗粒C为金、银、铜等金属纳米颗粒，形貌为纳米球、纳米棒、纳米三角板或核壳纳米结构，颗粒尺寸范围为几十纳米至几百纳米，会形成宽光谱的局域表面等离激元共振峰，位于可见光至近红外波段。
激光染料分子a发光峰位于金属纳米颗粒A的局域表面等离激元共振峰附近，激光染料分子b发光峰位于金属纳米颗粒B的局域表面等离激元共振峰附近，两种激光染料分子的发光峰都位于金属纳米颗粒C所组装的金属纳米颗粒薄膜的局域表面等离激元共振峰的半高宽以内。
***驱动电路为基于薄膜晶体管等驱动电路，用于控制激光腔室单元的工作电压。通过改变工作电压能够改变第二溶剂所形成的液滴的疏水角，从而改变金属纳米颗粒C薄膜的颗粒间距。高电压时疏水角较小，颗粒间距大，形成普通照明光源；低电压时疏水角较大，颗粒间距小，形成随机激光。
有益效果：本发明与现有技术相比有以下优点：
1.本发明提出一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，与现有的一些随机激光器相比，例如：TiO2薄膜随机激光器、ZnO薄膜随机激光器及胶体溶液中掺杂染料微粒的随机激光器等均无法实现激光波长、方向性的动态可调谐。本发明的随机激光器首次提出利用电润湿对液滴的动态调谐特性实现对激光腔室单元中金属纳米颗粒间距的控制、金属纳米颗粒的LSPR共振峰与其间距的关系以及金属纳米颗粒对于随机增益介质的光致发光增强效应来解决上述瓶颈问题。而且能通过***驱动电路实现可编程的激光阵列，分别控制不同激光单元的方向性实现激光合成，得到大功率和高光束质量的随机激光器。对于随机激光器件在光子集成、光电集成等方面有着潜在的应用价值。
2.本发明的随机激光阵列可以形成两种不同性质的光源，一种是低阈值可调谐随机激光光源，第二种是低功耗的普通照明光源。这两种光源能够实现快速切换。在一些需要激光和照明光源快速切换的场合(如：光纤通信)、新型显示技术以及新型红外目标模拟器等特殊领域发挥重要的作用。
3.现有的一些随机激光是将随机增益介质掺入到溶液当中，所需泵浦光源的光强较大。而本发明提出在随机激光染料分子溶液中掺入了多种金属纳米结构，通过界面自组装薄膜以及溶液中金属纳米颗粒的LSPR效应，能够有效增强随机增益介质的散射及光致发光效率，降低随机激光阈值。并且金属颗粒间距可以通过所加电压有效控制，对应于调节金属纳米结构的LSPR峰，本发明金属纳米颗粒的LSPR波长为可见光至近红外波段，能够实现宽光谱的共振增强及辐射波长调谐。是一种低阈值，可见光至近红外波段光谱可调谐的随机激光阵列器件。
附图说明
图1是随机激光阵列外形图，图2是随机激光阵列的俯视图。
图3a是激光腔室单元工作在低电平时的截面图，图3b是激光腔室单元工作在高电平时的截面图。
图4a表示图3a中金属纳米颗粒与激光染料分子所形成的随机环形谐振腔所辐射激光的方向性，图4b表示图3b中金属纳米颗粒与激光染料分子所形成的随机环形谐振腔所辐射激光的方向性。
图5：金属纳米颗粒C在两相界面处自组装形成的金属颗粒薄膜的颗粒间距与反射光谱之间的关系。
图中有：基底1、底电极21、顶电极22、介质层3、间隔层4、激光腔室单元5、泵浦光源6、***驱动电路7、第一溶剂51、第二溶剂52、金属纳米颗粒 A53、激光染料分子a 54、金属纳米颗粒B 56、激光染料分子b 56、金属纳米颗粒C 57、随机环形谐振腔9、辐射激光10。
具体实施方式
本发明提出的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，结构包括：基底、底电极、顶电极、介质层、间隔层、激光腔室单元、泵浦光源及***驱动电路构成。其位置关系由下至上依次为基底、底电极、介质层、由间隔层所围成的激光腔室单元、顶电极、泵浦光源、***驱动电路。***驱动电路通过连接底电极和顶电极形成闭合回路组成。
激光腔室单元中包含有第一溶剂、第二溶剂、溶于第一溶剂中的金属纳米颗粒A和激光染料分子a、溶于第二溶剂中金属纳米颗粒B和激光染料分子b和由金属纳米颗粒C在第一溶剂和第二溶剂界面处自组装的金属纳米颗粒薄膜组成。其中金属纳米颗粒A、金属纳米颗粒B、金属纳米颗粒C、激光染料分子a及激光染料分子b均需要特定的表面配体经行修饰。
激光腔室单元的驱动方法如下：所述泵浦光源位于激光腔室的底部，用于抽运激光腔室单元中的激光染料分子a和激光染料分子b，泵浦光源的发光峰小于两种激光染料分子光致发光峰。通过改变施加在激光腔室上的电压，第二溶剂所形成液滴在介质层上所形成的疏水角会发生变化，两种溶剂所形成的两相界面处的金属颗粒薄膜的颗粒间距会发生变化。当激光腔室工作在低电平时，第二溶剂所形成的液滴将平铺在介质层上，金属纳米颗粒的间距较大，泵浦光源在金属颗粒薄膜处会发生透射增强，溶剂中的激光染料分子a和激光染料分子b在光源的照射下产生光致发光效应。形成一种照明光源。当激光腔室工作在高电平时，由于电润湿效应，第二溶剂所形成的液滴将平铺在介质层上，金属纳米颗粒间距较小，泵浦光在照射到金属纳米颗粒C所自组装的金属纳米颗粒薄膜表面上式会产生强烈的反射共振增强效应，溶剂中的激光染料分子a和激光染料分子b在此强反射光的抽运下而打出随机激光。形成一种随机激光光源。
整个器件阵列的发光特性如下：所述随机激光阵列能工作于两种不同的状态，能够打出两种不同的光。：1.普通照明光。2.随机激光。改变施加在电极上的电压可以实现普通照明光与随机激光的快速切换。当所述随机激光工作于状态 2时，激光腔室单元会打出随机激光，其方向性与单元腔室所施加电压大小有关，对于激光阵列的整体方向性，可通过***驱动电路对驱动信号实现数字编程以及寻址电路进行控制。实现方向性动态可调谐的随机激光。
本发明中随机激光阵列结构及制备工艺如下：首先在Si片(或是蓝宝石、云母片等)上通过光刻、刻蚀等工艺制备出ITO电极，随后在上方制备介质层，无机绝缘介质层通过PECVD、ALD制备，低表面应力聚合物介质层通过旋涂工艺制备。随后再通过纳米压印技术制备亲水激光腔壁网格层形成阵列腔室结构，亲水性材料一般为聚乙二醇，聚丙烯酰胺等亲水性聚合物材料。将不同激光染料分子溶于第一溶剂与第二溶剂中后灌装到激光腔室中。将金属纳米颗粒加入激光腔室后，为了能够在两种溶剂的界面处自组装金属纳米颗粒薄膜，颗粒的尺寸范围应为100～200nm，并需要对金属颗粒进行配体修饰(四丁基溴化铵等)后，才能有效实现油水界面的自组装。通过施加在激光器电极上的施加电压能够有效的控制金属颗粒之间的间距。
本发明中金属纳米颗粒薄膜以及溶剂中的金属纳米颗粒的存在能有效降低随机激光的阈值，当金属纳米颗粒尺寸小于光的波长，外界的泵浦光源照射到金属纳米颗粒薄膜上时，金属纳米颗粒中导带电子与电磁场发生耦合，形成局域表面等离激元，能够将光局域在深度亚波长的范围内。由于单个金属纳米颗粒的局域表面等离激元只能在某一特定窄带峰附近有着光场局域增强效应，本发明中金属纳米颗粒的LSPR峰对应于激光染料分子的发光峰，金属纳米颗粒表面的共振光场能够有效的增强随机增益介质的光致发光效率。从而能够有效的降低激光染料分子所需的抽运光强，从而降低外部泵浦光源的光强。实现低阈值，低功耗的随机激光阵列。
本发明的随机激光阵列能够实现对激光波长、方向性的动态调谐。第一、当施加在单个激光腔室的电压连续变化时，两种溶剂界面处的金属纳米颗粒薄膜会产生相应的应变，颗粒间距能够由小到大连续变化。由于金属纳米颗粒薄膜的 LSPR共振峰与金属纳米颗粒之间的间距有关，在一定范围内，颗粒间距增大时， LSPR共振峰会蓝移；颗粒间距减小时，LSPR共振峰会红移。所以本发明中金属纳米颗粒薄膜间距变化能够有效的实现金属纳米颗粒薄膜LSPR共振峰的红移或蓝移，金属颗粒的散射光波长随之红移或蓝移，这将有效的改变激光染料分子抽运光的波长，实现所辐射激光波长的调谐。第二、随机激光辐射方向与激光波长与激光染料分子(随机增益介质)浓度及其散射特性密切相关，也与激光染料分子所形成的环形谐振腔在溶液中的空间分布有关。当施加电压在随机激光阵列上时，会产生作用在激光腔室上的静电力，从而打破腔室中第一溶剂、第二溶剂和介质层所形成的平衡状态，导致腔室中液滴的疏水角发生变化，随之而来腔室中的激光染料分子会重新分布，激光染料分子所形成的环形谐振腔会重新分布，从而实现对所辐射激光的方向性的调谐。
本发明的随机激光阵列能够在普通照明光源和随机激光光源之间快速切换，当激光腔室工作在低电平时，两相界面处的金属纳米颗粒薄膜的局域表面等离激元共振不明显，此时打出普通照明光；当激光腔室单元工作在高电平时，两相界面处的金属纳米颗粒薄膜表面积减小15％左右时，金属纳米颗粒薄膜对光源的局域表面等离激元共振增强提高400倍以上，能够有效的打出随机激光。其转换频率与周期性的变化的高低电平有关。
实例
如图1所示制备出M×N的激光阵列结构，在基底上通过光刻、刻蚀等工艺制备出透明电极，随后在上方通过ALD制备介质层，低表面应力聚合物介质层通过旋涂工艺制备。随后再通过纳米压印技术制备M×N网格层形成阵列腔室结构。

Claims (10)

1.一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述随机激光阵列器件由下至上依次为泵浦光源(6)、基底(1)、底电极(21)、介质层(3)、由间隔层(4)所围成的激光腔室单元(5)、顶电极(22)，***驱动电路(7)通过连接底电极(21)和顶电极(22)形成闭合回路。
2.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的基底(1)为硅片、蓝宝石、云母基片或聚合物材料所形成的透明基底。
3.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的底电极(21)和顶电极(22)的材料为氧化铟锡ITO、掺氟氧化锡FTO或石墨烯材料。
4.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的介质层(3)由两层电介质组成，下层是无机绝缘介质层，供选材料为SiN、Al2O3或Si，上层是低表面应力的聚合物介质层，供选材料为含氟聚合物Cytop或Teflon的各种疏水性的聚合物材料；上层介质层直接旋涂在下层介质层上，厚度范围为0.7微米至0.9微米。
5.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的间隔层(4)供选材料为聚乙二醇，聚丙烯酰胺、聚酰胺的亲水性聚合物材料。
6.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的激光腔室单元(5)由第一溶剂(51)、第二溶剂(52)、溶于第一溶剂(51)中的金属纳米颗粒A(53)和激光染料分子a(54)、溶于第二溶剂(52)中金属纳米颗粒B(55)和激光染料分子b(56)及由金属纳米颗粒C(57)在第一溶剂和第二溶剂界面处自组装的金属纳米颗粒薄膜(58)组成；第一溶剂(51)供选材料为水或盐水溶液，表面应力范围为50～90dynes/cm；第二溶剂(52)供选材料为烷、烃或醇，表面应力范围为20～40dynes/cm；第二溶剂(52)不溶于或微溶于第一溶剂(51)。
7.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：所述的金属纳米颗粒A(53)和金属纳米颗粒B(55)为金、银、铜纳米颗粒，形貌为纳米球、纳米棒、纳米三角板或核壳纳米结构，颗粒尺寸范围为几十纳米至几百纳米；金属纳米颗粒A(53)和金属纳米颗粒B(55)的局域表面等离激元共振峰位于可见光至近红外波段；金属纳米颗粒A(53)经过表面配体后溶于第一溶剂(51)，金属纳米颗粒B(55)经过表面配体修饰后，溶于第二溶剂(52)，金属纳米颗粒C(57)经过表面配体修饰后在第一溶剂(51)与第二溶剂(52)界面处自组装成膜，激光染料分子a(54)和激光染料分子b(56)分别经过表面配体(81)和表面配体(82)修饰后分别溶于第一溶剂(51)与第二溶剂(52)。
8.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：激光染料分子a(54)和激光染料分子b(56)供选材料为量子点光致发光材料、罗丹明或香豆素衍生物激光染料，发光峰位于可见光至近红外波段。
9.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：金属纳米颗粒C(57)为金、银、铜等金属纳米颗粒，形貌为纳米球、纳米棒、纳米三角板或核壳纳米结构，颗粒尺寸范围为几十纳米至几百纳米，会形成宽光谱的局域表面等离激元共振峰，位于可见光至近红外波段。
10.如权利要求1所述的一种基于等离激元纳米结构的可调谐随机激光阵列器件，其特征在于：激光染料分子a(54)发光峰位于金属纳米颗粒A(53)的局域表面等离激元共振峰附近，激光染料分子b(56)发光峰位于金属纳米颗粒B(55)的局域表面等离激元共振峰附近，两种激光染料分子的发光峰都位于金属纳米颗粒C(57)所组装的金属纳米颗粒薄膜的局域表面等离激元共振峰的半高宽以内。
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