CN106848818A - 取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，制备三种取向的聚合物光纤：（1）长程无序聚合物光纤，只掺杂0.1wt.%‑0.2wt.% PM597；（2）短程聚合物光纤，掺杂15wt.%‑30wt%的POSS纳米颗粒和0.1wt.%‑0.2wt.% PM597；（3）等离子体聚合物光纤，掺杂0.01wt.%‑0.2wt.%金纳米颗粒和0.1wt.%‑0.2wt.% PM597；从这三种取向的聚合物光纤中获得偏振随机激光并测试其偏振性。本发明通过设计取向的无序聚合物光纤的散射平均自由程和长度，实现对偏振随机激光发射的控制。
Description
技术领域
本发明涉及光纤领域，具体是发明一种取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法。
背景技术
自1968年Letokhov理论上提出随机激光以来，基于光的多重散射和受激辐射形成随机共振腔，随机激光就在多种增益介质无序掺杂的聚合物光纤中出现。目前为止，偏振随机激光有三种实现形式：各向异性散射、各向异性吸收和各向异性光波导。对于传统的随机激光，为了实现偏振随机激光的发射，需要在随机介质中掺入各向异性成分，具有各向异性吸收的激光染料还有外加电场下是向列型液晶。T.Zhai 等人已经报道说，通过拉伸带有罗丹明6G有机染料和银纳米线的柔性衬底，可以把随机激光的偏振状态从随机偏振变成部分偏振。S. Knitter 等人研究了远场样品的随机激光频率相关发射偏振，还有各向异性泵浦对于正交偏振的影响特性。Y.Gao 等人研究发现，在一个具有多个密集纳米棒状孔的圆柱形谐振腔内受激发射偏振度很高。F. Yao 等人提出了对于染料掺杂的向列型液晶中随机激光发射测定偏振的研究。
使用Teflon法或者共挤压过程法等可以很容易的大规模生产聚合物光纤。最近的报道称，为了获得低阈值、取向性的随机激光，利用一维结构去限制传统随机激光系统的激光性质。由于聚合物光纤的低成本和机械的灵活性、易于制备、大数值孔径，它的应用有短途光纤通信、光纤传感器、放大器、照明器件、聚合物光纤放大器和激光器。我们就使用Teflon法先制备聚合物预制棒，纤芯分别掺杂有三种掺杂物：第一种是只掺杂PM597染料，第二种掺杂POSS纳米颗粒和PM597染料，第三种掺杂Au纳米颗粒和PM597染料。控制最高温度稍低于聚合物预制棒的玻璃化转变温度给预制棒缓慢加热，预制棒底端软化后利用牵拉装置拉制出具有一定取向的聚合物光纤，获得三种掺杂物的取向的聚合物光纤。所以，随机聚合物激光的偏振发射是我们的研究重点。基于各向异性波导设计，可以在聚合物光纤中获得偏振随机激光。
发明内容 本发明的目的是提供一种取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，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：
取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）获取聚合物光纤
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预制棒，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的质量分数分别为66%-88%和11%-33%；
再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、掺杂物按各自重量百分比注入到空芯聚合物预制棒中，甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯的质量分数分别是70%-80%和15%-30%，掺杂物有三种选择，第一种是长程无序聚合物光纤，掺杂0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第二种是短程聚合物光纤，掺杂15wt.%-30wt%的POSS纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第三种是等离子体聚合物光纤，掺杂0.01wt.%-0.2wt.%金纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.% PM597；热固化之后得到不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒，不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成三种不同掺杂的具有取向的无序聚合物光纤；
（2）获取偏振随机激光并测试其偏振性
依次摆放泵浦激光器、格兰镜组、凸透镜一、聚合物光纤、滤波片、凸透镜二、偏振片、光纤，光纤另一端连接光谱仪，光谱仪与计算机连接；泵浦激光器发射泵浦激光，格兰镜组控制泵浦激光的强度和偏振方向，凸透镜一汇聚泵浦激光去泵浦聚合物光纤样品，得到混合激光；
混合激光通过滤波片把残留泵浦激光滤除，发射激光通过凸透镜二汇聚，再用偏振片测量偏振性，激光通过光谱仪转换成光谱图像，通过转动偏振片来改变角度，每转动15°记录一次光谱，用计算机记录结果，然后再分析记录的随机激光的强度确定偏振情况。
所述的取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，其特征在于，所述泵浦激光器采用参数为532 nm, 16 ns, 10Hz的Nd:YAG 激光器。
本发明的原理是：
本发明结合光纤波导对随机激光的一维束缚作用和拉制光纤时的取向作用两者优势，利用Teflon 法制作纤芯不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒，再利用拉丝机的拉力，拉制成不同掺杂的具有一定取向的聚合物光纤。这种聚合物光纤就可以得到偏振随机激光。并且在一定的条件下，可以改变这种偏振状态。
掺杂的聚合物光纤，在用Teflon 法制作拉制的过程中，使得聚合物光纤就具有了一定的取向，对于这种光纤，可以获得具有偏振效应的随机激光的发射，并且这种偏振激光发射在实际应用中起重要作用。
测量不同长度的偏振聚合物光纤，观察其保偏特性，发现对于不同长度的取向聚合物光纤，偏振随机激光可以得到保持。但是随着光纤长度的增加，随机激光偏振度会改变。散射平均自由程减小可以使随机激光的保偏特性降低，这为设计一种恰当的无序聚合物光纤去保持随机激光开辟了新的道路。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设计取向的无序聚合物光纤的散射平均自由程和长度，实现对偏振随机激光发射的控制。
附图说明
图1是与本发明实施例一致的取向的聚合物光纤偏振随机激光实验略图。
图2是与本发明实施例一致的三种不同掺杂物的聚合物光纤的荧光偏振图。
图3是与本发明实施例一致的PM597掺杂物的聚合物光纤在不同泵浦能量下的发射光谱图以及对应阈值。
图4是与本发明实施例一致的POSS纳米颗粒掺杂的聚合物光纤在不同泵浦能量下的发射光谱图以及对应阈值。
图5是与本发明实施例一致的金纳米颗粒掺杂的聚合物光纤在不同泵浦能量下的发射光谱图以及对应阈值。
图6是与本发明实施例一致的PM597掺杂的聚合物光纤在不同长度时的随机激光偏振图。
图7是与本发明实施例一致的POSS纳米颗粒掺杂的聚合物光纤在不同长度时的随机激光偏振图。
图8是与本发明实施例一致的金纳米颗粒掺杂的聚合物光纤在不同长度时的随机激光偏振图。
具体实施方式
如图1、2所示，取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）获取聚合物光纤
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预制棒，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的质量分数分别为66%-88%和11%-33%；
再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、掺杂物按各自重量百分比注入到空芯聚合物预制棒中，甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯的质量分数分别是70%-80%和15%-30%，掺杂物有三种选择，第一种是长程无序聚合物光纤，掺杂0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第二种是短程聚合物光纤，掺杂15wt.%-30wt%的POSS纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第三种是等离子体聚合物光纤，掺杂0.01wt.%-0.2wt.%金纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.% PM597；热固化之后得到不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒，不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成三种不同掺杂的具有取向的无序聚合物光纤；
（2）获取偏振随机激光并测试其偏振性
依次摆放泵浦激光器1、格兰镜组2、凸透镜一3、聚合物光纤4、滤波片5、凸透镜二6、偏振片7、光纤8，光纤8另一端连接光谱仪9，光谱仪9与计算机10连接；泵浦激光器发射泵浦激光，格兰镜组控制泵浦激光的强度和偏振方向，凸透镜一汇聚泵浦激光去泵浦聚合物光纤样品，得到混合激光；
混合激光通过滤波片把残留泵浦激光滤除，发射激光通过凸透镜二汇聚，再用偏振片测量偏振性，激光通过光谱仪转换成光谱图像，通过转动偏振片来改变角度，每转动15°记录一次光谱，用计算机记录结果，然后再分析记录的随机激光的强度确定偏振情况。
泵浦激光器采用参数为532 nm, 16 ns, 10Hz的Nd:YAG 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拉制光纤时的取向作用两者优势，利用Teflon 法制作纤芯不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒，预制棒放在拉丝塔上从室温加热到210℃左右，保持温度大约2分钟待预制棒底端软化后利用牵拉装置拉制，在拉制的过程中控制拉制的速度，拉力的牵扯作用使得拉出的聚合物光纤具有一定的取向，获得三种掺杂物的取向的聚合物光纤。
对于制备好的聚合物光纤，进行偏振的测试，偏振随机激光实验略图见图1。图2是三种聚合物光纤的荧光强度跟角度的关系图。实验时，把图1中的泵浦激光器换成532纳米的连续激光器。荧光偏振程度PF = (I max − I min)/(I max + I min), I max是荧光最强的强度，I min 是荧光最弱的强度。通过图2可以计算出，只掺杂PM597激光染料的聚合物光纤，荧光偏振程度PF=0.16；掺杂POSS纳米颗粒和PM597的光纤，荧光偏振程度是0.25；掺杂金纳米颗粒和PM597的光纤，荧光偏振程度是0.04。可以看出荧光偏振程度比较小，也就是说，激光染料PM597在光纤中的朝向是随机的。在图2中我们还可以看出来，荧光最强和最弱对应的角度θ是不一样的，这是因为小部分的激光染料的取向是不一样的。
图3（a）是只掺杂PM597的聚合物光纤在不同泵浦能量下的随机激光光谱图，（b）只掺杂PM597的聚合物光纤的阈值，大小为37微焦。图4（a）掺杂POSS纳米颗粒和PM597的聚合物光纤在不同泵浦能量下的随机激光光谱图，其阈值如图4（b）所示为117微焦.图5（a）是掺杂金纳米颗粒和PM597的聚合物光纤在不同泵浦能量下的随机激光光谱图，阈值是56微焦如图5（b），其阈值介于其他两种聚合物光纤的阈值之间。图5（a）可以看出，在泵浦能量为385微焦时，金纳米颗粒掺杂的聚合物光纤的随机激光主峰位置是577.4纳米，半峰宽是0.6纳米，这相对于只掺杂PM597染料的聚合物光纤来说蓝移了6.8纳米，相对于掺杂POSS纳米颗粒的聚合物光纤来说红移了11.9纳米。这说明金纳米颗粒掺杂的聚合物光纤的散射自由程介于其他两种光纤之间。
图6是只掺杂PM597的聚合物光纤的激光偏振图。图7是掺杂POSS纳米颗粒和PM597的聚合物光纤的激光偏振图。图8是掺杂金纳米颗粒和PM597的聚合物光纤的激光偏振图。取不同长度的光纤进行随机激光偏振的测试。随机激光偏振度RLF= (I max −I min)/I max+I min)。I max是随机激光最大强度，I min是随机激光最小的强度。计算的得到图6中1.5cm、3cm和8cm的聚合物光纤的偏振度分别是0.83、0.75和0.87，偏振度有一些改变。同样三种长度的金纳米颗粒掺杂的聚合物光纤，其偏振度分别是0.94、0.98和0.9，如图8所示具有高偏振特性。然而对于三种长度的POSS纳米颗粒掺杂的聚合物光纤，其偏振度分别是0.98、0.94和0.72，随着聚合物光纤长度的增加偏振度减小。减小散射平均自由程可以降低随机激光的保偏性，这为通过设计一个合适的无序掺杂聚合物光纤保持随机激光铺平了道路。
Claims (2)
1.取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）获取聚合物光纤
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预制棒，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的质量分数分别为66%-88%和11%-33%；
再把构成纤芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯、掺杂物按各自重量百分比注入到空芯聚合物预制棒中，甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯的质量分数分别是70%-80%和15%-30%，掺杂物有三种选择，第一种是长程无序聚合物光纤，掺杂0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第二种是短程聚合物光纤，掺杂15wt.%-30wt%的POSS纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.%PM597，第三种是等离子体聚合物光纤，掺杂0.01wt.%-0.2wt.%金纳米颗粒和0.1wt.%-0.2wt.% PM597；热固化之后得到不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒，不同掺杂的增益聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成三种不同掺杂的具有取向的无序聚合物光纤；
（2）获取偏振随机激光并测试其偏振性
依次摆放泵浦激光器、格兰镜组、凸透镜一、聚合物光纤、滤波片、凸透镜二、偏振片、光纤，光纤另一端连接光谱仪，光谱仪与计算机连接；泵浦激光器发射泵浦激光，格兰镜组控制泵浦激光的强度和偏振方向，凸透镜一汇聚泵浦激光去泵浦聚合物光纤样品，得到混合激光；
混合激光通过滤波片把残留泵浦激光滤除，发射激光通过凸透镜二汇聚，再用偏振片测量偏振性，激光通过光谱仪转换成光谱图像，通过转动偏振片来改变角度，每转动15°记录一次光谱，用计算机记录结果，然后再分析记录的随机激光的强度确定偏振情况。
2.根据权利要求1所述的取向的聚合物光纤偏振随机激光的获取及测试方法，其特征在于，所述泵浦激光器采用参数为532 nm, 16 ns, 10Hz的Nd:YAG 激光器。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHIJIA HU ET AL.: "Polarized random laser emission from an oriented disorder polymer optical fiber", 《OPTICS LETTERS》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112945522A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-11 | 合肥工业大学 | 一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法 |
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