CN104953449A - 基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，由金属纳米颗粒、染料掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯的共聚物构成的纤芯，以及甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物构成的包层构成。本发明基于局域表面等离子体共振效应增强荧光发射，从而得到阈值更低的聚合物光纤随机激光；金属纳米颗粒被固定在聚合物光纤中，聚合物光纤随机激光的发射波长能稳定下。利用Teflon法先制作空芯聚合物光纤预制棒，再把芯层单体、不同尺寸的金纳米颗粒、染料分子注入到空芯中，热固化之后得到不同尺寸金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒。

Description

基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光

技术领域

本发明涉及光纤领域，具体是一种基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光。

背景技术

自从Letokhov理论上提出随机激光以来，随机激光被广泛的研究。随机激光在光显示、传感、小型激光和医学诊断学方面都有应用前景。为了提高随机激光的激光效率和控制随机激光的方向，人们利用光纤的一维束缚作用得到高效率、低阈值以及有方向性的随机激光，这种随机激光被称为光纤随机激光。

光纤随机激光主要分为两种：1）基于分布式反馈机制，即使用随机分布的布拉格光栅或通过拉曼效应和纳米颗粒散射放大的瑞利散射。2）基于光纤纤芯中的纳米颗粒的瑞利散射反馈机制。最近，聚合物光纤由于它的灵活性、低成本、易处理，有机材料和大数值孔径受到了很多的关注。它们已经被应用在各种各样的领域，例如短距离光通信、光纤传感器和照明设备。随着聚合物光纤的发展，越来越多的有源聚合物光纤放大器和激光器被报道。之前我们通过激光染料PM597和聚倍半硅氧烷纳米颗粒掺杂聚合物光纤得到一维无序聚合物光纤，通过532 nm纳秒激光器端面泵浦这种一维无序聚合物光纤，得到具有稳定相干随机激光发射的聚合物光纤随机激光。这种聚合物光纤随机激光的反馈机理是光纤纤芯里面的聚倍半硅氧烷纳米颗粒的多重散射，并且这种弱散射由于光纤波导的限制效应被大大加强。由于聚合物光纤随机激光的成本低和易弯曲性，它在微纳光学集成系统和光纤传感器领域有很好的应用前景。

近年来，在纳米激光器、光电子器件和生物传感器方面，金属纳米颗粒和增益介质之间的相互作用吸引了相当大的兴趣。在随机激光领域，人们利用金属纳米颗粒的表面等离子体共振降低随机激光的阈值和调节随机激光的发射。而基于金属纳米颗粒的表面等离子体共振的聚合物光纤随机激光一直没有人研究。金属纳米的表面等离子体共振可以增强随机激光的激光效率和降低随机激光阈值，聚合物光纤随机激光可以提高随机激光的方向性，两者结合可以优化随机激光的性质，得到低阈值，高激光效率及有一定方向性的随机激光。

发明内容    本发明的目的是提供一种基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，包括纤芯及包敷在纤芯外的包层，其特征在于：所述纤芯为金属纳米颗粒、染料掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯的共聚物，所述包层为甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物。

所述的基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，其光纤纤芯特征在于：整个光纤激光器中，甲基丙烯酸甲酯的重量分数为70%-85%，甲基丙烯酸苄酯的重量分数为15%-30%，染料的重量分数为0.1%-0.4%，金属纳米颗粒的重量分数为0.01%-0.1%。

所述的基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，其特征在于：制备方法如下：首先利用Teflon 法，将甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纤预制棒，再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、金属纳米颗粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纤预制棒中，热固化之后得到不同含量金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒，金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光器。

本发明结合光纤波导对随机激光的一维束缚作用和金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振对荧光增强效应两者优势，利用Teflon 法制作纤芯含金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒，再利用拉丝机拉制成金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤。

本发明的优点是基于金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应可以得到阈值更低的聚合物光纤随机激光，同时由于金属纳米颗粒固定在聚合物光纤里面，随机激光发射波长大部分可以稳定下来，随机激光的频率由聚合物光纤的中心里的固定的振荡腔所决定的。所以能够得到稳定的基于局域表面等离子体共振效应的相干聚合物光纤随机激光发射，这将推动随机激光的发展。

当泵浦能量不断变化时，聚合物光纤纤芯里存在一个固定的振荡随机腔，这也说明了能够得到基于等离子体相干聚合物光纤随机激光器的稳定频率随机激光。

附图说明

图1是与本发明实施例一致的制作金属纳米颗粒掺杂聚合物光纤的示意图。

图2a是与本发明实施例一致的金属纳米颗粒掺杂聚合物光纤横截面的显微镜照片，图2b是荧光显微镜照片。

图3是与本发明实施例一致的金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤随机激光实验略图。

图4是与本发明实施例一致的随机激光光谱图。

具体实施方式

基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，包括纤芯及包敷在纤芯外的包层，纤芯为金属纳米颗粒、染料掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯的共聚物，所述包层为甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物。

整个光纤激光器中，纤芯材料中，甲基丙烯酸甲酯的重量分数为70%-85%，甲基丙烯酸苄酯的重量分数为15%-30%，染料的重量分数为0.1%-0.4%，金属纳米颗粒的重量分数为0.01%-0.1%。

制备方法如下：首先利用Teflon 法，将甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纤预制棒，再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、金属纳米颗粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纤预制棒中，热固化之后得到不同含量金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒，金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光器。

本发明首先制作疏水性金属纳米颗粒，利用Teflon 法制作金属纳米颗粒掺杂聚合物光纤，把金属纳米颗粒固定在聚合物光纤纤芯中。利用金属纳米颗粒的多重散射得到随机激光发射，同时利用金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应得到阈值更低的有方向性的聚合物光纤随机激光。

制作油溶性金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤制作过程见图1。

第一步：使用Teflon 法制备聚合物光纤空芯预制棒。把精制过后的一定比例的甲基丙烯酸甲酯（66.7 wt%-88.9 wt%）和丙烯酸丁酯（11.1 wt%-33.3 wt%）、引发剂过氧化二月桂酰（0.1 wt%-0.5 wt%）及链转移剂正丁硫醇（0.1 wt%-0.3 wt%）搅拌均匀灌入Teflon 管中，中间用Teflon 绳牵引出来并固定在模具中，密封后放入加热箱中，通过以下加热程序热固化：30-50 oC，每24 h 升温5 oC；50-90 oC，24 h 升温10 oC。单体热聚合后，抽出Teflon 绳得到空芯的聚合物光纤预制棒。

第二步：金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤预制棒的制备。将油溶性金属纳米颗粒（0.01 wt%-0.1 wt%）、激光染料分子（0.1 wt%-0.4% wt%）、一定比例的芯层单体甲基丙烯酸甲酯（70 wt%-85 wt%） 和甲基丙烯酸苄酯（15 wt%-30 wt%）、引发剂过氧化二月桂酰（0.1 wt%-0.5 wt%）及链转移剂正丁硫醇（0.1 wt%-0.3 wt%）搅拌均匀注入空芯的聚合物光纤预制棒的空芯中，避免产生气泡，密封后，采用同样的加热程序，芯层单体聚合后，得到金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤预制棒。

第三步：将金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤预制棒放入拉丝机中进行拉丝，加热炉的温度升到190 oC，通过控制预制棒的送料速度和光纤拉丝速度来控制光纤的直径。

图2是拉制出来的金属纳米颗粒掺杂的聚合物光纤的横截面图。

图3是测试这种基于金属纳米颗粒局域表面等离子体共振效应的聚合物光纤随机激光的示意图。利用Nd:YAG 激光器(532 nm, 16 ns, 10Hz)作为泵浦光源泵浦样品，使用格兰镜组(Glan-Prism Group)调节泵浦光的强度，使用透镜 (Convex Len)把泵浦光耦合到聚合物光纤样品中，使用光纤光谱仪(QE65000, Ocean Optics, 分辨率~0.4 nm, 积分时间100 ms)接受聚合物光纤样品发出的随机激光。

图4是金属纳米颗粒掺杂聚合物光纤随机激光的发射光谱图。当泵浦能量超过阈值时，我们看到尖锐的激光峰出现在自发辐射包络上。

Claims (3)

1.基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，包括纤芯及包敷在纤芯外的包层，其特征在于：所述纤芯为金属纳米颗粒、染料掺杂的甲基丙烯酸甲酯与甲基丙烯酸苄酯的共聚物，所述包层为甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物。

2.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，其特征在于：整个光纤激光器纤芯中，甲基丙烯酸甲酯的重量分数为70%-85%，甲基丙烯酸苄酯的重量分数为15%-30%，染料的重量分数为0.1%-0.4%，金属纳米颗粒的重量分数为0.01%-0.1%，包层中构成包层的共聚物中甲基丙烯酸甲酯单体重量分数为66.7%-88.9%，丙烯酸丁酯重量分数为11.1%-33.3%。

3.根据权利要求1所述的基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光，其特征在于：制备方法如下：首先利用Teflon 法，将甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纤预制棒，再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、金属纳米颗粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纤预制棒中，热固化之后得到不同含量金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒，金属纳米颗粒掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成基于金属纳米颗粒散射的聚合物光纤随机激光器。