含有SiO2納米球的柔性隨機激光器研究

李松濤 葛坤 鄭寧 任芝

摘 要：本文通過旋涂法制備了含有SiO2納米球和增益介質R6G的柔性隨機激光器，研究了在隨機激光的發射光譜和出射強度、半峰全寬與泵浦光能量密度的關系，研究了樣品在不同拉伸量下的隨機激光光譜，拉伸量達到14 mm時，隨機激光發射光譜的中心波長藍移了10 nm，展現了一種拉伸法調諧隨機激光出射波長的方法。

關鍵詞：隨機激光；拉伸法；SiO2納米球

與傳統激光器相比，隨機激光器不需要諧振腔，因此具有結構簡單、體積小、制造成本低等優點，因此在特殊波段激光器的研制、新型光源、新型顯示等領域引起了研究人員的關注[1-5]。

人們在隨機激光器的制備過程中引入新型散射顆粒、嘗試增益介質[6-8]，然而，關于隨機激光器的波長調節的報道還較少[9、10]。本文將SiO2納米球引入隨機激光器的同時，開發了一種柔性的隨機激光器。

一、實驗方法

取一定量的增益介質羅丹明（R6G，Sigma），與乙醇混合，配置成質量濃度為3 mg/ml的溶液，再加入一定質量的SiO2納米球（Sigma，平均粒徑150 nm），SiO2納米球的質量濃度為1 mg/ml。生成的混合溶液，與聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，體積質量比為1：1混合，生成粘稠的混合溶液，然后在20×20 mm2的硅膠墊上進行旋涂，旋涂速度3000 rpm，持續時間30 s。旋涂后的樣品，在80 ℃下固化3 h，得到含有SiO2納米球的柔性隨機激光器。

二、光譜分析

圖1. （a） 柔性隨機激光器照片 （b）柔性隨機激光器的剖面照片 （c）柔性隨機激光器的結構示意圖 （d）柔性隨機激光器的正視圖。樣品結構示意圖。（e）SiO2納米球的消光光譜（黑色線）、歸一化后的R6G熒光光譜（綠色線）和歸一化后的摻雜有SiO2納米球的R6G熒光光譜（紅色線）。標尺代表200 μm。

圖1展示了柔性隨機激光器的照片（a），剖面圖（b），結構示意圖（c）和正視圖（d）；圖1展示了隨機激光器良好的彎曲特性，并通過顯微鏡照片可判斷膜厚約為100 μm；在制備過程中，SiO2納米球分散在PDMS中，與R6G、PDMS共同組成了波導層。

圖1（e）展示了SiO2納米球的消光光譜（黑色線），歸一化后的R6G熒光光譜（綠色線）和歸一化后的摻雜有SiO2納米球的R6G熒光光譜（紅色線），消光光譜較寬，與R6G的熒光光譜想交疊，從而實現熒光增強。

圖2展示了隨機激光的光譜和出射隨機激光強度、半峰全寬與泵浦能量密度的關系。本文制備的隨機激光器件，SiO2納米球分散在有R6G和PDMS共同形成的波導層中，共建了一個散射系統。采用Nd：YAG 激光器，波長532 nm，重復頻率10 Hz，脈寬30 ns（美國Continuum）作為泵浦源。泵浦光照射到樣品的時候，激發光激發R6G分子產生熒光，熒光被SiO2納米球散射，散射后的熒光在波導增益層內干涉增強，形成隨機激光發射，如圖2（a）所示。圖2（b）展示了出射隨機激光強度、半峰全寬與泵浦能量密度的關系。研究發現，出射的隨機激光的半峰全寬為4 nm，隨機激光的發射閾值為1.5 mJ/cm2，展現了較為優良的隨機激光特性。

為了進一步研究隨機激光特性，本文對隨機激光樣品進行了拉伸實驗，所準備的樣品為20×20 mm2，拉伸長度分別為0、8、10、12、14 mm，在泵浦光能量密度為2.2 mJ/cm2條件下，出射的隨機激光的光譜記錄為圖3（a）。隨著拉伸量的增加，出射隨機激光發射峰的中心波長出現藍移，自566 nm藍移到556 nm，同時強度出現降低。強度的降低，與拉伸過程中，樣品變薄，單位面積上的R6G分子數量減少，從而造成出射隨機激光強度的降低；中心波長的藍移，與SiO2納米球的濃度降低有關。圖4（b）中展示了隨機激光樣品的三張剖面的電場分布圖，SiO2納米球作為散射顆粒的周圍的電場分布。

三、結論

本文制備了含有SiO2納米球和增益介質R6G的柔性隨機激光器，采用波長為532 nm的激光器作為泵浦源，實現波長為566 nm隨機激光的發射，閾值為1.5 mJ/cm2；隨后對柔性樣品進行不同拉伸量的隨機激光光譜測試，研究表明出射隨機激光的強度在有所降低的同時，中心波長出現了藍移。本文為隨機激光的波長調諧，提供了一種簡單可靠的方法。

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作者簡介：

李松濤（1979--）男，副教授，博士，主要從事微納光學研究。