CN104218445A - 一种纳米激光器阵列制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳米激光器阵列制作方法。在先技术工艺复杂、灵活性低、可控性不强。本发明基于多层球壳纳米的光学与等离子体模式相互作用机理，采用多层球壳纳米激光器，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，并进行固化，得到纳米激光器阵列。本发明具有激光器结构简单、制作工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点。

Description

一种纳米激光器阵列制作方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种激光器制作方法，特别是一种纳米激光器阵列制作方法。主要用于微光机电、光电集成、光电检测、光通讯、光信息储存、光学显微、光刻、超分辨等领域。

技术背景

激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。激光器通常包括：激励源、工作介质、谐振腔，激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子数反转创造条件；工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大；谐振腔可以提供光学反馈。目前，已经存在许多种激光器，常见的有气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器，近期也出现了生物激光器和纳米激光器。

在先技术中存在纳米激光器，参见期刊《Nature》上第482卷页码范围为204-207的学术论文；作者：M. Khajavikhan, A. Simic, M. Kata, J. H. Lee, B. Slutsky, A. Mizrahi, V. Lomakin, Y. Fainman，论文题目为：Thresholdless nanoscale coaxial lasers。此在先技术虽然具有一定优点，但是存在本质不足：首先，利用同轴的多层圆柱壳层结构，结构复杂，在微纳结构上存在较多具有高精度要求参数，并且参数数值多样，导致制作工艺难度大，可操控性不灵活；其次，纳米激光器结构需要基底作为支撑，增加纳米激光器构成部件，在整体上增加了器件尺寸，激光器结构与基底相互固定，无法实现激光器灵活操纵；并且，实现纳米激光器阵列难度大，阵列分布灵活性差。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种纳米激光器阵列制作方法，具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、制作工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点。

本发明的基本构思是：基于多层球壳纳米的光学与等离子体模式相互作用机理，采用多层球壳纳米激光器，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，并进行固化，得到纳米激光器阵列。本发明具有激光器结构简单、制作工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点。

本发明方法的具体制作步骤如下：

步骤(1)纳米激光器分散到光固化胶流体中形成纳米激光器悬浮液，单个纳米激光器采用球壳结构，包括金属球体芯部和掺杂有染料分子的非金属外层球壳，并且金属球体芯部的半径小于100纳米，非金属外层球壳中含有的染料分子数目大于2000个；

步骤(2)含有多个纳米激光器的纳米激光器悬浮液通过微流通道，所述的微流通道相对的两个侧壁上设置有两个电极板，当纳米激光器悬浮液处于两个电极板之间的微流通道时，两个侧壁电极板之间施加电压，在电场所用下纳米激光器进行自动组织排布，形成纳米激光器阵列；

步骤(3)固化照明光源发射固化光束，经过光束整形部件形成固化光场图案，当纳米激光器在电场所用下形成纳米激光器阵列后，开启固化照明光源，所形成的固化光场图案照射在纳米激光器阵列区域，使固化光场图案所照射的区域光固化胶流体发生固化，形成稳定的纳米激光器阵列，关闭固化照明光源；

步骤(4) 纳米激光器阵列在后续流入的光固化胶流体推动下移出固化光场区域，完成纳米激光器阵列制作过程。

所述的纳米激光器的金属球体芯部材料为金、银的一种。

所述的纳米激光器的非金属外层球壳材料为掺杂有染料分子的硅材料球壳。

所述的两个电极板为透光导电膜层、导电金属网络层、石墨烯的一种。

所述的两个电极板之间可以施加直流电压，也可以施加交流电压。

所述的固化照明光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器、染料激光器的一种。

本发明中单个纳米激光器制备、染料分子及其使用、微流控、电流变、光固化、照明光场图形控制等均是成熟技术。

本发明的发明点在于基于多层球壳纳米的光学与等离子体模式相互作用机理，采用多层球壳纳米激光器，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，并进行固化，得到纳米激光器阵列，提供一种具有激光器结构简单、制作工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点的纳米激光器阵列制作方法。

与现有技术相比，本发明的优点：

1）在先技术利用同轴的多层圆柱壳层结构，结构复杂，在微纳结构上存在较多具有高精度要求参数，并且参数数值多样，导致制作工艺难度大，可操控性不灵活；本发明基于多层球壳纳米的光学与等离子体模式相互作用机理，采用多层球壳纳米激光器，纳米激光器包括金属球体芯部和掺杂有染料的非金属外层球壳，从结构上只有两个构成部分，具有参数少、制作工艺简单、性能可靠性高、可操控性灵活等特点；

2）在先技术中的纳米激光器结构需要基底作为支撑，增加纳米激光器构成部件，在整体上增加了器件尺寸，激光器结构与基底相互固定，无法实现激光器灵活操纵；本发明采用多层球壳结构的纳米激光器，利用自身的金属核心的金属表面等离子场和激光光场相互所用，外层含有染料的非金属壳层提供光学增益，提供光学补偿，实现自身的激光受激辐射，功能实现均在纳米颗粒系统实现，无需外接基底，使得系统不受限于基底材料、尺寸、制备等限制，进一步提高了本发明的简洁度，增加了灵活性；

3）基于在先技术的工作原理和工艺要求，在先技术实现纳米激光器阵列难度大，阵列分布灵活性差；本发明将电流变技术引入系统制备过程，利用电流变技术控制纳米激光器形成阵列，利用光固化技术进行定性，并且固化整体外形可以通过固化照明光场进行控制，因此本发明具有纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点。

附图说明

图1为本发明方法中使用的纳米激光器结构示意图；

图2为本发明的纳米激光器阵列制作方法示意图；

图3为本发明方法制备的纳米激光阵列一个示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明基于多层球壳纳米的光学与等离子体模式相互作用机理，采用多层球壳纳米激光器，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，并进行固化，得到纳米激光器阵列，提供一种纳米激光器阵列制作方法，具体制作步骤如下：

步骤(1)将纳米激光器1分散到光固化胶流体3形成纳米激光器悬浮液，单个纳米激光器采用球壳结构，包括金属球体芯部101和掺杂有染料分子的非金属外层球壳102，并且金属球体芯部101的半径小于100纳米，非金属外层球壳102中含有的染料分子数目大于2000个；

本实施例中，纳米激光器由金属球体芯部和掺杂有染料分子的非金属外层球壳，图1所示纳米激光器结构，金属球体芯部101采用金，球体半径为14纳米；非金属外层球壳102的球壳厚度为15纳米，采用含有染料分子OG-488的硅材料球壳，所以纳米激光器1整体为直径为44纳米的球体，每个纳米激光器1的非金属外层球壳102含有的染料分子数目约为2700个。

步骤(2)含有多个纳米激光器1的纳米激光器悬浮液通过设置有两个侧壁电极板的微流通道2，当纳米激光器1悬浮液处于两个电极板之间的微流通道时，两个侧壁电极板之间利用电源4施加电压，在电场所用下纳米激光器1进行自动组织排布，形成纳米激光器阵列；

图2为本发明的纳米激光器阵列制作方法示意图。

本实施例中，微流通道2包括入口201、出口202第一电极203、第二电极204；纳米激光器1和光固化胶流体3构成的纳米激光器悬浮液从入口201流入微流通道2，流向出口202；微流通道2在入口201和出口202之间有一段通道的侧壁上设置有两个电极板，即为第一电极203和第二电极204，第一电极203和第二电极204为透光导电膜层；与第一电极203和第二电极204相连接的电源4用于提供电压，提供直流高电压，从而在第一电极203和第二电极204之间的微流通道2空间产生电场，驱使纳米激光器进行自动组织排布构成纳米激光器阵列。

步骤(3)固化照明光源5发射固化光束，经过光束整形部件6形成固化光场图案，当纳米激光器1在电场所用下形成纳米激光器阵列后，开启固化照明光源5，所形成的固化光场图案照射在纳米激光器阵列区域，使固化光场图案所照射的区域光固化胶流体发生固化，形成稳定的纳米激光器阵列，关闭固化照明光源5；

本实施例中，固化照明光源5为紫外固体激光器，光束整形部件6采用平场复消色差透镜组；固化照明光源5发射固化光束经过光束整形部件6形成矩形固化光场图案，从而实现了外形为矩形的纳米激光器阵列，如图3所示，固化光场图案可以根据需要进行调节。

步骤(4) 纳米激光器阵列在后续流入的光固化胶流体推动下移出固化光场区域，从出口202移动出，完成纳米激光器阵列制作过程。

本实施例成功实现了纳米激光器阵列，在488纳米波长脉冲光的激发下，受激发射出波长为531纳米波长的激光光场阵列，本发明具有激光器结构简单、制作工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、纳米激光器阵列制作方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、整体器件外形选择灵活等特点。

Claims (6)

1. 一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤(1)纳米激光器分散到光固化胶流体中形成纳米激光器悬浮液；

步骤(2)含有多个纳米激光器的纳米激光器悬浮液通过微流通道，所述的微流通道相对的两个侧壁上设置有两个电极板，当纳米激光器悬浮液处于两个电极板之间的微流通道时，两个侧壁电极板之间施加电压，在电场所用下纳米激光器进行自动组织排布，形成纳米激光器阵列；

步骤(3)固化照明光源发射固化光束，经过光束整形部件形成固化光场图案，当纳米激光器在电场所用下形成纳米激光器阵列后，开启固化照明光源，所形成的固化光场图案照射在纳米激光器阵列区域，使固化光场图案所照射的区域光固化胶流体发生固化，形成稳定的纳米激光器阵列，关闭固化照明光源；

步骤(4) 纳米激光器阵列在后续流入的光固化胶流体推动下移出固化光场区域，完成纳米激光器阵列制作过程。

2.根据权利要求1所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：纳米激光器采用球壳结构，包括金属球体芯部和掺杂有染料分子的非金属外层球壳，并且金属球体芯部的半径小于100纳米，非金属外层球壳中含有的染料分子数目大于2000个；

根据权利要求2所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：所述的纳米激光器的金属球体芯部材料为金、银的一种。

3.根据权利要求2所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：所述的纳米激光器的非金属外层球壳材料为掺杂有染料分子的硅材料球壳。

4.根据权利要求1所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：所述的两个电极板为透光导电膜层、导电金属网络层、石墨烯的一种。

5.根据权利要求1所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：所述的两个电极板之间可以施加直流电压，也可以施加交流电压。

6.根据权利要求1所述的一种纳米激光器阵列制作方法，其特征在于：所述的固化照明光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器、染料激光器的一种。