CN104505709B - 利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法：(1)将基底材料固定在电控平移台上，将飞秒脉冲激光经显微物镜聚焦后辐照到基底材料的面或内部，并按照设计好的微流道图案进行可控辐照，在基底材料中写入所设计的微流道图案；(2)微流道的制备，采用辅助湿法腐蚀法。(3)将块状掺杂激光材料粉碎并研磨成粉末后，分散到蒸馏水中，并将分散有掺杂激光材料的蒸馏水置于透明容器中，在搅拌下利用飞秒脉冲激光经聚焦后直接辐照消融，直至得到掺杂纳米晶材料；(4)微流道掺杂纳米晶激光器的制备。本发明方法制备的激光器输出方向可控性强，可作为集成光学芯片的光源。

Description

利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法

技术领域

本发明属于集成光学器件技术领域，具体涉及一种利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法。

背景技术

微全分析系统和芯片实验室器件设法将微流体、微光学、微电子和微机械等多种功能器件集成在只有手掌大小的同一芯片上，它具有低功耗、高效率和高灵敏度等传统生化分析系统无可比拟的优点，目前已在生物学、化学和医药科学等领域掀起一场重大革命。

实现光源与微流控芯片的集成，多个研究组曾提出和展示了基于不同材料和结构的微流控芯片激光器。2005年丹麦工业大学的D.KilNNon[A microfluidic dye laserfabricated by nanoimprint lithography in a highly transparent and chemicallyresistant cyclo-olefin copolymer(COC)[J].Z Micromech.Microeng.2005，15：296～300.]课题组较早从事了微流控芯片激光器的研究。他们设计的微流控芯片激光器采用纳米热压印技术，环烯烃共聚物作为芯片材料，芯片内部一次成型制备微流道、谐振腔和光波导等部件。在流道的中部有23条平行沟槽形成分布式反馈激光器(DFB)谐振腔，垂直于沟槽方向压印有平面波导带，以引导激光输出。工作时染料若丹明(Rh6G)溶液在流道中的流动，利用532nm波长抽运光从顶部泵浦入射，激光沿芯片平面从波导带输出。2006年D.Psaltis等人[Developing optofluidic technology through the fusion of microfluidicsand optics[J].Nature.2006，442(7101)：381-385.]研制的一种可调谐分布反馈型聚二甲基硅氧烷(PDMS)芯片染料激光器。该器件在折射率为1.406的PDMS硅橡胶芯片上制作截面尺寸为5μm×2μm的微流道，其中注入1.409较高折射率的若丹明6G染料溶液，形成“染料液芯/PDMS包层”的单模光波导。流道中有长度为4mm周期排列的PDMS小柱，作为DFB光栅。在Nd:YAG倍频激光器532nm脉冲激光抽运下，从芯片一端可得到单模激光输出。通过改变染料组分和机械形变的方法，这种芯片染料激光器的输出波长可以在60nm的范围内调节。但是上述两种结构的微流控芯片激光器在微流道芯片的设计和制备上都有些繁琐，而且只采用了激光染料作为激光介质，未能充分发挥其微器件特点，基于此本课题组提出一种制备方法简单，激光介质多样化的微流道掺杂纳米晶激光器件的制备方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种利用飞秒激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法；从而简化了工艺流程，提供一种实现激光介质多样化的微流道掺杂纳米晶激光器的制备新途径。

为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明所述利用飞秒激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，工艺步骤如下：

(1)微流道图案的写入

将基底材料固定在电控平移台上，将飞秒脉冲激光出射光束经显微物镜聚焦后辐照到基底材料的面或内部，并按照设计好的微流道图案进行可控辐照，在基底材料中写入所设计的微流道图案；

(2)微流道的制备

采用辅助湿法腐蚀法，将步骤(1)写入了微流道图案的基底材料先于超声机中清洗后放入氢氟酸溶液中，对基底材料中的微流道图案进行腐蚀，直至得到其表面或者体内的微流道结构；

(3)掺杂纳米晶材料的制备

将块状掺杂激光材料粉碎并研磨成粉末后，分散到蒸馏水中，并将分散有掺杂激光材料的蒸馏水置于透明容器中，在搅拌下利用飞秒脉冲激光束经透镜聚焦后直接辐照消融，直至得到掺杂纳米晶激光材料；

(4)微流道掺杂纳米晶激光器的制备

将步骤(3)所得掺杂纳米晶激光材料离心分散得到粒径分布均匀的纳米颗粒，将所得纳米颗粒分散到分散液中，将分散有纳米颗粒的分散液注入到步骤(2)所得的微流道结构中，构成微型激光元件；采用光泵浦对其进行泵浦，通过一个聚焦柱透镜将其光束整形成线状光束，且该线状光束沿着微流道方向垂直照射，在微流道的出射面将光信号耦合输出到光谱仪中进行激光器特性分析，即得到微流道掺杂纳米晶激光器。

上述方法中，步骤(2)中所述氢氟酸溶液的质量浓度为5～20％。

上述方法中，步骤(2)所得到的微流道结构的直径尺寸为1～20μm。

上述方法中，所述基底材料为玻璃、晶体、或半导体中的一种。

上述方法中，步骤(3)中所述掺杂激光材料为掺杂硒化锌(ZnSe)、或掺杂硫化锌(ZnS)、或掺杂钇铝石榴石(YAG)、或掺杂氟化锂钇(YLF)。

上述方法中，步骤(3)中所述掺杂纳米晶材料的晶粒为球状或棒状，球状晶粒大小为5～100nm，棒状晶粒大小为20～100nm。

上述方法中，步骤(4)中所述分散液为蒸馏水、乙醇、乙二醇中的一种。

上述方法中，所述微型激光元件最好采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)进行封装。

上述方法中，所述微流道结构的形状为直线形、或相交直线型、或交叉线型、或曲线形、或单环形、或多环形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明方法将微流道和掺杂纳米晶激光介质相结合，提供了一种新的掺杂纳米晶激光器，同时提供这种掺杂纳米晶激光器的新的制作途径。

2、采用本发明方法制备得到的微流道掺杂纳米晶激光器，其激光介质多样化，输出方向可控性强，可作为集成光学芯片的光源。

3、本发明方法工艺简单，利用飞秒激光辐照辅助氢氟酸腐蚀制备微流道的侧壁光滑，可以减少激光器的损耗，利用飞秒激光熔融制备掺杂纳米晶材料过程简单环保，不需要极端的温度和压力条件。

4、本发明方法所制备的掺杂纳米晶激光器的特征波长包括紫外、可见、近红外、中红外等波段。

附图说明

图1是本发明利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法采用的装置结构示意图；

图2是本发明实施例1制备的微型激光元件的示意图；

图3是本发明微流道掺杂纳米晶材料激光器测试系统的结构示意图；

图4是本发明利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的制备流程方框示意图；

图中，1-飞秒脉冲激光光源，2-分光片，3-可调衰减片，4-半波片，5-偏振片，6-机械快门，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-第三反射镜，10-显微物镜，11-基底材料，12-电控平移台，13-CCD相机，14-计算机，15-全反射镜，16-光束控制系统，17-透镜，18-容器，19-搅拌器，20-能量计，21-聚焦柱透镜，22-微流道，23-光纤，24-光谱仪，25-微型激光元件。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，并结合附图对本发明所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法作进一步说明，但它仅用于说明本发明的一些具体的实施方式，而不应理解为是对本发明保护范围的任何限定。

实施例1

本实施例所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法采用的装置见图1所示结构，工艺步骤如下：

(1)微流道图案的写入

取尺寸为10mm×10mm×1mm且六面抛光的熔石英玻璃样品作为基底材料，将熔石英玻璃11清洗后固定在电控平移台12上，飞秒脉冲激光光源1发出的脉冲激光光束依次经过分光比为1:9的分光片2，可调衰减片3、半波片4、偏振片5和机械快门6传输，再依次通过第一反射镜7、第二反射镜8和第三反射镜9反射到显微物镜10中，经显微物镜10聚焦后辐照到熔石英玻璃11表面，并按照设计好的微流道图案对熔石英玻璃11进行可控辐照，即在熔石英玻璃中写入所设计好的微流道图案，辐照过程通过CCD相机13及其软件和计算机14来监控，飞秒脉冲激光在熔石英玻璃内部直写微流道图案时所用飞秒脉冲激光脉冲宽度为50±2fs，其中心波长为800nm，重复频率为1kHz；直写过程中采用的显微物镜10数值孔径为0.4，飞秒脉冲激光的平均功率为2mW；扫描速度为20μm/s；

(2)微流道的制备

采用辅助湿法刻蚀，将步骤(1)写入了微流道图案的熔石英玻璃样品放入超声机中清洗10分钟，再放入质量浓度为10％的氢氟酸溶液中超声振荡，对所写入的微流道图案进行腐蚀，直至所述熔石英玻璃样品表面微流道结构形成，其形貌可参照图2所示，所述微流道的直径尺寸为20μm；

(3)掺杂纳米晶材料的制备

将块状掺杂ZnSe材料粉碎后用球磨机研磨成微米级粉末，取2mg掺杂ZnSe粉末分散到蒸馏水中，并将分散有掺杂ZnSe激光材料的蒸馏水置于玻璃容器18中；飞秒脉冲激光经全反射镜15反射到光束控制系统16中，经光束控制系统16后再经透镜17聚焦到玻璃容器18内，直接辐照消融5个小时，直至得到掺杂ZnSe纳米晶激光材料，所得掺杂纳米晶材料的晶粒为球状，球状晶粒大小为5～100nm。辐照过程中用搅拌器19充分的搅拌，搅拌周期为600转/min；飞秒脉冲激光脉宽为50±2fs，中心波长为800nm，重复频率为1kHz；采用的聚焦透镜17的焦距为200mm，飞秒脉冲激光的平均功率约为2W。

(4)微流道掺杂纳米晶激光器的制备

将步骤(3)所得掺杂ZnSe纳米晶激光材料离心分散，得到粒径分布较均匀的纳米颗粒，再将纳米颗粒超声分散在乙二醇中；利用循环泵将分散有掺杂ZnSe纳米晶材料的乙二醇在微流道结构中均匀地循环流动，从而将分散有掺杂ZnSe纳米晶材料的乙二醇注入到步骤(2)所得的微流道结构中，构成微型激光元件25；采用飞秒脉冲激光对微型激光元件进行光泵浦，见图3所示，其具体过程是采用分光片2将飞秒脉冲激光光束分为两路，一路光束至能量计20进行监测，另一路光束通过一个聚焦柱透镜21将光束整形成线状光束，该线状光束并沿着微流道方向垂直照射微流道22，在微流道的出射面用光纤23将出光信号耦合输出到光谱仪24中，再传输到计算机14中对激光器特性进行分析。可以通过改变泵浦光的能量和入射方向，来测量不同方向的激光出射强度和光谱；(基于上述过程)经上述制备过程即得到微流道掺杂纳米晶激光器。

实施例2

本实施例所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法与实施例1的不同之处在于步骤(1)中所述基底材料为氟化钙晶体，所述氢氟酸的质量浓度为20％；步骤(2)中得到微流道的直径尺寸为1μm；步骤(3)中使用的掺杂激光材料是掺杂YAG，所得掺杂纳米晶材料的晶粒为棒状，棒状晶粒大小为20～100nm；步骤(4)中所述分散液为蒸馏水，所述在微流道的出射面将光信号耦合采用物镜耦合，得到的微型激光元件25采用聚二甲基硅氧烷进行封装即可。

实施例3

本实施例所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法与实施例1的不同之处在于步骤(1)中所述基底材料为硅片，所述氢氟酸的质量浓度为5％；步骤(2)中得到微流道的直径尺寸为15μm；步骤(3)中使用的掺杂激光材料是掺杂ZnS，所得掺杂纳米晶材料的晶粒为棒状，20～100nm；步骤(4)中所述分散液为乙醇，所述在微流道的出射面将光信号耦合采用波导耦合技术。得到的微型激光元件25采用聚甲基丙烯酸进行封装即可。

实施例4

本实施例所述利用飞秒激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法与实施例1的不同之处在于步骤(1)中所述氢氟酸的质量浓度为10％；步骤(2)中得到微流道的直径尺寸为15μm；步骤(3)中使用的掺杂激光材料是掺杂YLF，所得掺杂纳米晶材料的晶粒为球状，粒径为5～100nm。

Claims (6)

1.一种利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于工艺步骤如下：

(1)微流道图案的写入

将基底材料固定在电控平移台上，将飞秒脉冲激光出射光束经显微物镜聚焦后辐照到基底材料的面或内部，并按照设计好的微流道图案进行可控辐照，即在基底材料中写入了所设计的微流道图案；

(2)微流道的制备

采用辅助湿法腐蚀法，将步骤(1)写入了微流道图案的基底材料先于超声机中清洗后放入氢氟酸溶液中，对基底材料中的微流道图案进行腐蚀，直至得到其表面或者体内的微流道结构；

(3)掺杂纳米晶激光材料的制备

将块状掺杂激光材料粉碎并研磨成粉末后，分散到蒸馏水中，并将分散有掺杂激光材料的蒸馏水置于透明容器中，在搅拌下利用飞秒脉冲激光经透镜聚焦后直接辐照消融，直至得到掺杂纳米晶激光材料；

(4)微流道掺杂纳米晶激光器的制备

将步骤(3)所得掺杂纳米晶激光材料离心分散得到粒径分布均匀的纳米颗粒，将所得纳米颗粒分散到分散液中，将分散有纳米颗粒的分散液注入到步骤(2)所得的微流道结构中，构成微型激光元件；采用激光对其进行泵浦，通过一个聚焦柱透镜将其光束整形成线状光束，且该线状光束沿着微流道方向垂直照射，在微流道的出射面将光信号耦合输出到光谱仪中进行激光器特性分析，即得到微流道掺杂纳米晶激光器；

所述氢氟酸溶液的质量浓度为5％～20％；

所制得的微流道结构直径尺寸为1～20μm；

所构成的微型激光元件采用聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯进行封装。

2.根据权利要求1所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于所述基底材料为玻璃、晶体、半导体中的一种。

3.根据权利要求1或2所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于步骤(4)中所述分散液为蒸馏水、乙醇、乙二醇中的一种。

4.根据权利要求1或2所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于步骤(3)中所述块状掺杂激光材料为掺杂硒化锌、或掺杂硫化锌、或掺杂钇铝石榴石、或掺杂氟化锂钇。

5.根据权利要求4所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于步骤(3)所得掺杂纳米晶激光材料的晶粒为球状或棒状，球状晶粒大小为5～100nm，棒状晶粒大小为20～100nm。

6.根据权利要求1或2所述利用飞秒脉冲激光制备微流道掺杂纳米晶激光器的方法，其特征在于所制得的微流道结构的形状为直线形、交叉线型、曲线形中的一种。