CN104242021A - 一种多波长纳米激光器体系实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长纳米激光器体系实现方法。在先技术工艺复杂、灵活性低、可控性不强。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单元，采用不同几何参数多层球壳纳米激光器单元实现不同激光波长，结合电流变效应对不同波长纳米激光器微通道进行流动控制，将不同激光波长多层球壳纳米激光器体系混合，实现动态纳米激光器体系。本发明具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、实现工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、可实现多波长纳米激光器体系、系统分布可调控性强、分布灵活、不同波长纳米激光器数量动态可控等特点。

Description

一种多波长纳米激光器体系实现方法

技术领域

本发明属于光学技术领域，涉及一种激光器实现方法，特别是一种多波长纳米激光器体系实现方法。主要用于光学激发、光学显微、光电检测、光通讯、光信息储存、微光机电、光电集成、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，通常由激励源、工作介质和谐振腔三部分构成，其中，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，已经存在多种激光器，包括气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、生物激光器和纳米激光器等。

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；实现纳米激光器动态位置控制难度大，分布灵活性差，本质上在先技术无法实现动态纳米激光器体系，纳米激光器不同动态移动，以及动态改变不同波长纳米激光器数量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种多波长纳米激光器体系实现方法，具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、实现工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、多波长纳米激光器体系、可调控性强、分布灵活、纳米激光器可动态移动，不同波长纳米激光器数量动态可控等特点。

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单元，采用不同几何参数多层球壳纳米激光器单元实现不同激光波长，结合电流变效应对不同波长纳米激光器微通道进行流动控制，将不同激光波长多层球壳纳米激光器体系混合，实现动态纳米激光器体系。本发明具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、实现工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、可实现多波长纳米激光器体系、系统分布可调控性强、分布灵活、不同波长纳米激光器数量动态可控等特点。

本发明方法的具体制作步骤如下：

步骤(1)将多种纳米激光器分散到绝缘液体中形成多种纳米激光器悬浮液，所有单个纳米激光器均采用球壳结构，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)微通道结构含有多个入口通道和一个出口，多种纳米激光器悬浮液分别从不同入口通道流入，然后在微通道结构主体部分发生混合，形成多种纳米激光器系统，每个入口通道的侧壁上设置有两个电极板，每个入口通道上的两个电极板分别与一个电源相连接；

步骤(3) 电源对电极施加电压导致在每个入口通道中产生电流变效应，实现动态控制每个入口通道中纳米激光器悬浮液的流控状态，可以开关流动和流量调节，实现不同波长纳米激光器数量动态可控，以及混合后分布状态；

步骤(4)泵浦光源出射光束经过光束整形部件后整形，再经过汇聚部件进行汇聚到微通道结构中的含有多种纳米激光器的悬浮液区域，对纳米激光器进行激发，产生多波长激光发射，含有多种纳米激光器的悬浮液从微通道出口流出，在电流变效应和微通道作用下，实现多波长纳米激光器体系。

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。

所述的光电导薄层为氢化非晶硅材料薄层。

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、微通道制备、电源电压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单元，采用不同几何参数多层球壳纳米激光器单元实现不同激光波长，结合电流变效应对不同波长纳米激光器微通道进行流动控制，将不同激光波长多层球壳纳米激光器体系混合，实现动态纳米激光器体系，提供一种具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、实现工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、多波长纳米激光器体系、可调控性强、分布灵活、不同波长纳米激光器数量动态可控等特点的多波长纳米激光器体系实现方法。

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，并且本发明采用不同几何尺寸的多层球壳纳米结构实现不同激光波长，实现多波长激光发射；

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）实现纳米激光器动态位置控制难度大，分布灵活性差，本质上在先技术无法实现动态纳米激光器体系，纳米激光器不同动态移动，以及动态改变不同波长纳米激光器数量；本发明结合电流变效应对不同发射波长的纳米激光器进行微通道流动控制，实现动态多波长纳米激光器混合，并且可以通过每种纳米激光器流量控制，实现相对数量控制，因此具有可实现多波长纳米激光器体系、系统分布可调控性强、分布灵活、不同波长纳米激光器数量动态可控等特点。

附图说明

图1为本发明实施例中两种纳米激光器结构示意图。

图2为本发明的一种多波长纳米激光器体系实现方法示意图。

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单元，采用不同几何参数多层球壳纳米激光器单元实现不同激光波长，结合电流变效应对不同波长纳米激光器微通道进行流动控制，将不同激光波长多层球壳纳米激光器体系混合，实现动态纳米激光器体系，图1为本发明的一种多波长纳米激光器体系实现方法示意图，具体制作步骤如下：

步骤(1) 将两种纳米激光器分散到液体中形成两种纳米激光器悬浮液，所有单个纳米激光器均采用球壳结构，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。

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所示两种纳米激光器结构。第一种波长纳米激光器结构的金属球体芯部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，所以第一种波长纳米激光器1整体为直径为44纳米的球体，每个第一种波长纳米激光器1的非金属外层球壳102含有的染料分子数目约为2700个。第二种波长纳米激光器结构的金属球体芯部201同样采用金，球体半径为10纳米；非金属外层球壳202的球壳厚度为17纳米，采用含有染料分子OG-488的硅材料球壳，所以第二种波长纳米激光器1整体为直径为44纳米的球体，每个第二种波长纳米激光器2的非金属外层球壳202含有的染料分子数目约为4100个。第一种波长纳米激光器和第二种波长纳米激光器所选择的液体为同一种液体3，本实施例中采用甲基硅油。

步骤(2)微通道结构含有多个入口通道和一个出口，多种纳米激光器悬浮液分别从不同入口通道流入，然后在微通道结构主体部分发生混合，形成中多种纳米激光器系统，每个入口通道的侧壁上设置有两个电极板，每个入口通道上的两个电极板分别于一个电源相连接；

图2为本发明的一种多波长纳米激光器体系实现方法示意图。本实施例中，采用两个入口通道和一个出口通道的Y型微通道结构4，包括第一入口401、第二入口402和出口403，第一波长纳米激光器1从第一入口401流入，第二波长纳米激光器2从第二入口402流入；在第一入口401流入的通道的侧壁上设置有设置有第一电极板5和第二电极板6，第一电极板5和第二电极板6分别于电源7相连；在第二入口402流入的通道的侧壁上设置有设置有第三电极板8和第四电极板9，第三电极板8和第四电极板9分别于电源10相连；本实施例中第一电极板5、第二电极板6、第三电极板8、第四电极板9均采用掺锡氧化铟导电薄层。

步骤(3) 电源对电极施加电压导致在每个入口通道中产生电流变效应，实现动态控制每个入口通道中纳米激光器悬浮液的流控状态，可以开关流动和流量调节，实现不同波长纳米激光器数量动态可控，以及混合后分布状态；

本实施例中，通过电源7对第一电极板5和第二电极板6施加电压，产生第一波长纳米激光器1悬浮液的电流变效应，实现第一波长纳米激光器1的开关流动和流量调节；通过电源10对第三电极板8和第四电极板9施加电压，产生第二波长纳米激光器2悬浮液的电流变效应，实现第二波长纳米激光器2的开关流动和流量调节。

步骤(4)泵浦光源11出射光束经过光束整形部件12后整形，再经过汇聚部件13进行汇聚到微通道结构中的含有多种纳米激光器的悬浮液区域，对纳米激光器进行激发，产生多波长激光发射，含有多种纳米激光器的悬浮液从微通道出口403流出，流动的在电流变效应和微通道作用下，实现可调控的多波长纳米激光器体系。

本实施例中，泵浦光源11采用固体激光器，光束整形部件12为空间光调制器，汇聚部件13采用胶合透镜构成的透镜组，很好的实现消像差。

本实施例中，在488纳米波长脉冲光的激发下，成功实现了多波长发射，得到了可见光波段的多波长纳米激光器系统，本发明具有多层球壳结构纳米激光器单元、激光器结构简单、实现工艺简单、纳米激光器结构无需固定基底、多波长纳米激光器体系、可调控性强、分布灵活、不同波长纳米激光器数量动态可控等特点。

Claims (7)

1. 一种多波长纳米激光器体系实现方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤(1)将多种纳米激光器分散到绝缘液体中形成多种纳米激光器悬浮液；

步骤(2)微通道结构含有多个入口通道和一个出口，多种纳米激光器悬浮液分别从不同入口通道流入，然后在微通道结构主体部分发生混合，形成多种纳米激光器系统，每个入口通道的侧壁上设置有两个电极板，每个入口通道上的两个电极板分别与一个电源相连接；

步骤(3) 电源对电极施加电压导致在每个入口通道中产生电流变效应，实现动态控制每个入口通道中纳米激光器悬浮液的流控状态，可以开关流动和流量调节，实现不同波长纳米激光器数量动态可控，以及混合后分布状态；

步骤(4)泵浦光源出射光束经过光束整形部件后整形，再经过汇聚部件进行汇聚到微通道结构中的含有多种纳米激光器的悬浮液区域，对纳米激光器进行激发，产生多波长激光发射，含有多种纳米激光器的悬浮液从微通道出口流出，在电流变效应和微通道作用下，实现多波长纳米激光器体系。

2.根据权利要求1所述的一种多波长纳米激光器体系实现方法，其特征在于：纳米激光器均采用球壳结构，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所述的一种多波长纳米激光器体系实现方法，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所述的一种多波长纳米激光器体系实现方法，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所述的一种多波长纳米激光器体系实现方法，其特征在于：所述的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所述的一种多波长纳米激光器体系实现方法，其特征在于：所述的光电导薄层为氢化非晶硅材料薄层。

6.根据权利要求1所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，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。

7.根据权利要求1所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，其特征在于：所述的泵浦光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器、染料激光器的一种。