CN104242047A - 一种动态纳米激光器阵列实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种动态纳米激光器阵列实现方法。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，动态光学图形诱导光电导薄层实现动态的电流变效应电场分布，进而动态控制纳米激光器自组织行为，得到动态纳米激光器阵列。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、纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点。

Description

一种动态纳米激光器阵列实现方法

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，特别是一种动态纳米激光器阵列实现方法。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。激光器通常由激励源、工作介质和谐振腔三部分构成，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，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；实现纳米激光器阵列难度大，阵列分布灵活性差，本质上在先技术无法实现动态纳米激光器阵列。

发明内容

本发明的目的在于针对上述在先技术的不足，提供一种动态纳米激光器阵列实现方法，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、纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点。

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，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，动态光学图形诱导光电导薄层实现动态的电流变效应电场分布，进而动态控制纳米激光器自组织行为，得到动态纳米激光器阵列。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、纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点。

本发明方法的具体制作步骤如下：

步骤(1)纳米激光器分散到绝缘液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，微流通道相对的两个侧壁上设置有两个光电导薄层，并且两个光电导薄层的外侧设置有透明电极板；

步骤(3) 当纳米激光器悬浮液处于两个透明电极板之间的微流通道时，两个侧壁电极板之间施加电压；

步骤(4)光源出射光束经过光束整形部件后入射到空间光调制器，空间光调制器控制器与空间光调制器相连接，实现对入射光场的动态控制，产生动态光场，空间光调制器的出射动态光场照射到光电导薄层区域，形成动态的导电电极，并且导电区域图形由空间光调制器动态调节；

步骤(5) 在两个透明电极板施加电压同时，通过光电导薄层的动态导电电极图形，作用在纳米激光器悬浮液上，在电场所用下纳米激光器进行自动组织排布，形成动态纳米激光器阵列。

所述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；

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。

所述的两个透明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。

所述的空间光调制器为振幅型空间光调制器、相位型空间光调制器、微镜阵列、振镜的一种。

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、光电导、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，动态光学图形诱导光电导薄层实现动态的电流变效应电场分布，进而动态控制纳米激光器自组织行为，得到动态纳米激光器阵列，提供一种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、纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点的动态纳米激光器阵列实现方法。

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；

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；本发明结合电流变效应对纳米激光器进行排列，动态光学图形诱导光电导薄层实现动态的电流变效应电场分布，进而动态控制纳米激光器自组织行为，得到动态纳米激光器阵列，因此本发明具有纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点。

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为本发明的动态纳米激光器阵列实现方法示意图。

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，结合电流变效应对纳米激光器进行排列，动态光学图形诱导光电导薄层实现动态的电流变效应电场分布，进而动态控制纳米激光器自组织行为，得到动态纳米激光器阵列，具体制作步骤如下：

步骤(1) 纳米激光器1分散到绝缘液体3中形成纳米激光器1悬浮液，单个纳米激光器1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1悬浮液通过微流通道2，微流通道2的相对的两个侧壁上设置有两个光电导薄层，并且两个光电导薄层的外侧设置有透明电极板。

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设有入口201和出口202；纳米激光器1和绝缘液体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光电导薄层，即为第一光电导薄层4和第二光电导薄层5；在两个光电导薄层的外侧设置有透明电极板，分别为第一透明电极板6和第二透明电极板7；第一光电导薄层4和第二光电导薄层5均采用氢化非晶硅材料薄层，第一透明电极板6和第二透明电极板7采用掺锡氧化铟导电薄层。

步骤(3) 当纳米激光器1悬浮液处于两个透明电极板之间的微流通道2时，两个侧壁电极板之间施加电压。

本实施例中，第一透明电极板6和第二透明电极板7与电源8相连接，电源8采用直流电输出。

步骤(4)光源9出射光束经过光束整形部件10后入射到空间光调制器11，空间光调制器控制器12与空间光调制器11相连接，实现对入射光场的动态控制，产生动态光场，空间光调制器11的出射动态光场照射到光电导薄层区域，形成动态的导电电极，并且导电区域图形由空间光调制器11动态调节。

本实施例中，光源9采用固体激光器，光束整形部件10为胶合透镜构成的透镜组，空间光调制器11采用基于液晶的相位型空间光调制器。

步骤(5) 在两个透明电极板施加电压同时，通过光电导薄层的动态导电电极图形，作用在纳米激光器悬浮液上，在电场所用下纳米激光器1进行自动组织排布，形成动态纳米激光器阵列。

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纳米波长的动态激光光场阵列，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、纳米激光器阵列实现方法简单、可调控性强、阵列分布灵活、纳米激光学阵列动态可控等特点。

Claims (8)

1. 一种动态纳米激光器阵列实现方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：

步骤(1)纳米激光器分散到绝缘液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，微流通道相对的两个侧壁上设置有两个光电导薄层，并且两个光电导薄层的外侧设置有透明电极板；

步骤(3)当纳米激光器悬浮液处于两个透明电极板之间的微流通道时，两个侧壁电极板之间施加电压；

步骤(4)光源出射光束经过光束整形部件后入射到空间光调制器，空间光调制器控制器与空间光调制器相连接，实现对入射光场的动态控制，产生动态光场，空间光调制器的出射动态光场照射到光电导薄层区域，形成动态的导电电极，并且导电区域图形由空间光调制器动态调节；

步骤(5) 在两个透明电极板施加电压同时，通过光电导薄层的动态导电电极图形，作用在纳米激光器悬浮液上，在电场所用下纳米激光器进行自动组织排布，形成动态纳米激光器阵列。

2.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：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所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，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所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，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所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，其特征在于：所述的两个透明电极板的材料为透光导电膜层、导电金属网络层、石墨烯的一种。

5.根据权利要求1所述的一种动态纳米激光器阵列实现方法，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。

8.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：所述的空间光调制器为振幅型空间光调制器、相位型空间光调制器、微镜阵列、振镜的一种。