CN103762494B - 一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器 - Google Patents

Abstract

一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，包括封闭容器、激光染料溶液、散射粒子、一组磁性元件、聚焦透镜和光泵浦装置；聚焦透镜位于封闭容器和光泵浦装置之间；激光染料溶液和散射粒子置于封闭容器中；散射粒子是磁性纳米粒子；工作时通过控制磁性元件磁场来改变散射区域磁性粒子的浓度，可方便的改变泵浦区域的散射强度，从而改变随机增益介质中的光学反馈强度，达到开关目的。相对现有技术，本发明工作状态稳定，不易受环境温度影响，且装置结构简单，更容易集成，可轻易实现控制，应用范围更广。

Description

一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器

技术领域

本发明涉及液体随机激光器领域，尤其是一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器。

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。随机激光器不同于传统的激光器，它通过辐射光在无序增益介质中的多重散射得到光学反馈，从而得到光放大。迄今为止，研究人员已经陆续在半导体、激光晶体粉末、掺杂纳米粒子的染料溶液及聚合物薄膜、光子晶体、液晶、生物组织等无序增益介质中观察到了辐射谱线变窄，强度增大，具有明显阈值的随机激光现象。

掺杂纳米粒子的随机激光器其反馈机制来自于纳米粒子的多重散射，可通过改变掺杂纳米粒子的浓度控制体系的散射强度。现有技术的随机激光器中的纳米散射粒子有SiO2、TiO2、Al2O3、Au、Ag等，这类纳米粒子的掺杂浓度不易在随机激光工作的时候进行实时改变，难以实现实时开关调控。

同时，现有技术中的开关可控的随机激光器主要为电场或磁场调控的液晶随机激光器，液晶随机激光器在工作中极容易受外界温度影响，工作状态很不稳定。

设计一种工作状态稳定，轻易实现开关调控的随机激光器，成为了本领域的重要研究方向。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的不足，本发明提供一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，通过外加磁场引起溶液中磁性散射粒子的定向移动，从而控制泵浦区域的散射强度，实现随机激光的开关。

技术方案：一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，包括封闭容器、激光染料溶液、散射粒子、聚焦透镜和光泵浦装置；

聚焦透镜位于封闭容器和光泵浦装置之间；激光染料溶液和散射粒子置于封闭容器中；其特征在于，包括一组磁性元件；所述散射粒子为磁性纳米粒子；

初始状态下，所述磁性纳米粒子置于封闭容器中，均匀分布在激光染料溶液中；

一组磁性元件分别置于密封容器相对的两侧，与轴心位于同一平面；每个磁性元件分别设有开关。

封闭容器的材料在泵浦光波段和染料出射波段透明。

激光染料溶液中染料的浓度为1.0×10^-5mol/L～1.0×10^-2mol/L；所述磁性纳米粒子在激光染料溶液中的掺杂浓度为1.0×10¹¹/cm³～1.0×10¹⁴/cm³。

一组磁性元件为两个完全相同的铁芯螺旋线圈，铁芯螺旋线圈控制简单，产生的磁场稳定度高。

有益效果：

（1）选用磁性纳米粒子，可在工作时通过控制外加磁场改变散射区域粒子浓度，方便的改变泵浦区域的散射强度，从而改变随机增益介质中的光学反馈强度，达到开关目的，达到开关目的；

（2）相对现有技术，工作状态稳定，不易受环境温度影响；

（2）装置结构简单，更容易集成，可轻易实现控制，使应用范围更广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，包括封闭容器1、激光染料溶液2、散射粒子3、一组磁性元件4、聚焦透镜5和光泵浦装置6；

聚焦透镜5位于封闭容器1和光泵浦装置6之间；激光染料溶液2和磁性纳米粒子置于封闭容器1中；

初始状态下磁性纳米粒子均匀分布在激光染料溶液2中；

本实例中，一组磁性元件4为两个完全相同的铁芯螺旋线圈，分别置于密封容器1相对的两侧，两个磁性元件4与轴心L位于同一平面，每个磁性元件4与密封容器1轴心L的距离相等，每个磁性元件4分别设有开关。需要指出的，磁性元件不仅限于铁芯螺旋线圈，能是实现磁场开关功能的磁性元件即可。

封闭容器1的材料在泵浦光波段和染料出射波段透明，本实例中选用石英作为原材料，应当指出，该材料可以是满足条件的任何材料，不仅限于石英。

磁性纳米粒子为介电体纳米粒子中内嵌磁核的结构。本实例中，优选的磁性纳米粒子为Fe3O4SiO2（四氧化三铁核-二氧化硅壳）结构的纳米粒子，Fe3O4核的直径为10～100nm，SiO2壳厚为100～700nm。

激光染料溶液中染料的浓度为1.0×10^-5mol/L～1.0×10^-2mol/L；所述磁性纳米粒子在激光染料溶液中的掺杂浓度为1.0×10¹¹/cm³～1.0×10¹⁴/cm³。

操作中，对泵浦装置6的激励光2-1用透镜5聚焦后对封闭容器1中的混合溶液进行光泵浦，激光染料溶液2在泵浦光2-2的激励下发光，此时，由于纳米粒子的多重散射作用增大了染料的出射光在泵浦区域中的光程，从而产生了随机激光2-3并出射。

此时，启动其中一个磁性元件4，从而在溶液的一侧产生磁场，磁性纳米粒子在磁场作用下被磁化，在混合溶液里向着磁性元件4所在的位置移动，直至溶液中泵浦区域不存在纳米粒子对染料出射光提供多重散射，无法形成随机激光，从而实现了对随机激光的关断。

关闭磁性元件4，启动另一侧位置上的另一磁性元件4，从而在溶液另一侧形成磁场，由于磁性纳米粒子的超顺磁性，磁性纳米粒子会重新被磁化，向着此时启动磁性元件4一侧的溶液移动，当磁性纳米粒子移动到泵浦区域时，随机激光9又重新产生，此时关闭磁性元件4，纳米粒子逐渐停止定向移动，又重新分散在溶液中并对光进行多重散射，至此实现了随机激光的启动。

本发明首次提出了开关基于掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光系统，利用了磁性纳米粒子的超顺磁性，使磁性纳米粒子在磁场作用下迅速被磁化，能实时通过外加磁场对随机激光进行开关操作，并且响应时间可由电磁元件的磁场强度调控，磁场强度越强，响应时间越短，控制速度就越快。对比现有技术中可以也可用磁场控制开关的液晶随机激光器，液晶材质很容易受外界温度影响，而本装置受外界温度干扰小，发光稳定明显提高。

本发明所述的随机激光装置结构灵活，能在多种场合得到应用。比如可以将其制成微尺寸光源，通过电池装置提供磁场，实现便携式磁控随机激光器；可以将其制成平板结构，作为显示器的背光源；此外，还可以将几个不同出射波长的本随机激光器集成，可独立开关各个出射波长，实现出射波段波长的调节。

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，如改进磁控元件4装置或采用磁性更强的磁性纳米粒子使开关响应时间更快、改变放置染料溶液的容器、改变泵浦光入射方向等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，包括封闭容器(1)、激光染料溶液(2)、散射粒子(3)、聚焦透镜(5)和光泵浦装置(6)；

所述聚焦透镜(5)位于封闭容器(1)和光泵浦装置(6)之间；激光染料溶液(2)和散射粒子置于封闭容器(1)中；

其特征在于，包括一组磁性元件(4)，所述磁性元件(4)的数为两个；所述散射粒子(3)为磁性纳米粒子；

初始状态下，所述磁性纳米粒子置于封闭容器(1)中，均匀分布在激光染料溶液(2)中；

所述一组磁性元件(4)分别置于密封容器(1)外侧相对的两侧，与密封容器(1)的轴心(L)位于同一平面；每个磁性元件(4)分别设有开关；

操作中，对泵浦装置(6)的激励光(2-1)用透镜(5)聚焦后对封闭容器(1)中的混合溶液进行光泵浦，激光染料溶液(2)在泵浦光(2-2)的激励下发光，纳米粒子对染料出射光提供多重散射，产生了随机激光(2-3)并出射；

此时，启动其中一个磁性元件(4)，在溶液的一侧产生磁场，磁性纳米粒子在磁场作用下被磁化，在混合溶液里向着磁性元件(4)所在的位置移动，直至溶液中泵浦区域不存在纳米粒子对染料出射光提供多重散射，实现了对随机激光的关断；

关闭上述磁性元件(4)；启动另一侧位置上的另一磁性元件(4)，在溶液另一侧形成磁场，磁性纳米粒子重新被磁化，向着此时启动的磁性元件(4)一侧的溶液移动，当磁性纳米粒子移动到泵浦区域时，随机激光(9)重新产生，此时关闭磁性元件(4)，纳米粒子逐渐停止定向移动，重新分散在溶液中并对光进行多重散射，至此实现了随机激光的启动。

2.如权利要求1所述的一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，其特征在于：所述封闭容器(1)的材料在泵浦光波段和染料出射波段透明。

3.如权利要求1所述的一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，其特征在于：所述磁性纳米粒子为介电体纳米粒子中内嵌磁核的结构。

4.如权利要求1所述的一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，其特征在于：所述激光染料溶液(2)中染料的浓度为1.0×10^-5mol/L～1.0×10^-2mol/L；所述磁性纳米粒子在激光染料溶液中的掺杂浓度为1.0×10¹¹/cm³～1.0×10¹⁴/cm³。

5.如权利要求1所述的一种掺杂磁性纳米粒子的开关可控的液体随机激光器，其特征在于：所述一组磁性元件(4)为两个完全相同的铁芯螺旋线圈。