CN108123357B - 基于表面等离子体的量子点随机激光器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于表面等离子体的量子点随机激光器，包括顺序层叠的第一玻璃基板、间隔层和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板在与间隔层贴合的表面上设有微米级凹槽供量子点沉积，所述间隔层中含有固定在第二玻璃基板上的金属纳米粒子，控制金属纳米粒子与量子点之间的距离。本发明金属纳米粒子的表面等离子体共振效应增强泵浦光的激发效率和随机激光的辐射效率，同时间隔层有效避免了量子点与金属纳米粒子接触而产生的荧光猝灭现象，并且由于间隔层材料透明高分子聚合物，可以使金属纳米粒子的共振吸收谱发生红移，实现表面等离子体共振带和激励光谱与出射光谱的耦合，从而得到低阈值、高强度的稳定随机激光出射。

Description

基于表面等离子体的量子点随机激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种激光器，具体涉及一种随机激光器及其制备方法。
背景技术
近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光在产生机理及发光特性上与传统激光器存在许多显著的不同，随机激光辐射源自激活无序介质，通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益，无需外加谐振腔。受益于量子限域效应，胶体量子点(CQD)作为激光材料具有一些不可替代的优点，即宽的激发光谱、发射波长可调谐、高量子产率、良好的色纯度和温度不敏感的激光性能。量子点随机激光器由于量子点材料本身可以发挥增益介质的作用，而作为增益介质，另一方面量子点相比周围的介质具有更高的折射率，可以同时作为散射介质。相比于使用染料的随机激光器，量子点随机激光器无需外加散射介质，具有成本低、制备工艺简单等特点。
表面等离子体共振是一种在金属纳米粒子表面的非辐射局域模式，它指的是金属纳米粒子表面的自由电子在与电磁波相互作用时费米能级导带上的自由电子在电磁场的驱动下产生共振，在这种相互作用下，当入射电磁波的频率与自由电子的固有频率接近时会发生表面等离子共振吸收，在纳米粒子周围产生很强的局域电场。由于金属纳米粒子的这种特性，使得其可以被用于增强随机激光上。表面等离子体共振效应可以使泵浦光的激发效率和随机激光的辐射效率得到提高，从而得到低阈值、高强度的随机激光出射。
现有技术中，文献“Adv.Optical Mater.2016，10，1002”中将量子点与金属纳米粒子直接混合，从而得到低阈值的随机激光出射。但这种量子点与金属纳米粒子接触的方法不可避免的会出现荧光猝灭现象，使得随机激光的出射效率降低。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于表面等离子体的量子点随机激光器及其制备方法，使用间隔层使金属纳米粒子的共振吸收谱发生红移，实现表面等离子体共振带和激励光谱与量子点出射光谱的耦合，同时避免金属纳米粒子与量子点接触而产生的荧光猝灭现象，并进一步降低阈值。
技术方案：本发明提供了一种基于表面等离子体的量子点随机激光器，包括顺序层叠的第一玻璃基板、间隔层和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板在与间隔层贴合的表面上设有微米级凹槽供量子点沉积，所述间隔层中含有固定在第二玻璃基板上的金属纳米粒子，控制金属纳米粒子与量子点之间的距离。
进一步，各个微米级凹槽之间相互平行。
进一步，所述微米级凹槽的宽度为40μm-120μm，深度为30μm-60μm。
进一步，所述间隔层采用透明高分子聚合物。
进一步，所述间隔层的厚度为15nm-70nm。
一种基于表面等离子体的量子点随机激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在第一玻璃基板上刻蚀出微米级凹槽，将量子点通过旋涂的方式沉积在凹槽中，旋涂速度为200rpm/120s-400rpm/120s；
(2)第二玻璃基板用APTMS硅烷化2h-4h，漂洗、烘干后将其浸入金属纳米粒子胶体悬浮液中1h-4h，之后取出烘干；
(3)将间隔层的材料旋涂第二玻璃基板的金属纳米粒子上，旋涂速度为2000rpm-5000rpm；
(4)两块玻璃基板处理后连接固定。
发明原理：本发明在玻璃基板上刻蚀出若干微米级凹槽，将量子点沉积在这些微米级凹槽中，量子点材料本身可以发挥增益介质的作用；另一方面量子点相比玻璃介质具有更高的折射率，可以提供散射。其次，量子点在凹槽中发生聚集，增加了量子点的密度，同时由于凹槽本身的不规则性，也可以提供散射。同时，由于金属纳米粒子的表面等离子体共振现象，可以增强局域场强，实现低阈值、高强度的随机激光出射。间隔层位于金属纳米粒子与量子点之间，有效的防止了量子点与金属纳米粒子接触而产生的荧光猝灭现象。同时，由于间隔层材料透明高分子聚合物，可以使金属纳米粒子的共振吸收谱发生红移，实现了表面等离子体共振带和激励光谱与出射光谱的耦合，使得表面等离子体共振的局域电场频率与量子点的发光谱频率重叠度增加，可以增加量子点的受激吸收及受激辐射速率，从而进一步降低随机激光的阈值并增强出射随机激光的强度。
有益效果：本发明量子点随机激光器采用量子点材料作为随机激光工作物质，相比有机染料更加稳定，同时，由于量子点本身的特性，使得量子点既可以作为增益介质，也可以作为散射介质，因此，量子点随机激光器具有结构简单，成本低，且制备工艺简单，长时间运作的优点；金属纳米粒子的表面等离子体共振效应增强泵浦光的激发效率和随机激光的辐射效率，同时间隔层有效避免了量子点与金属纳米粒子接触而产生的荧光猝灭现象，并且由于间隔层材料透明高分子聚合物，可以使金属纳米粒子的共振吸收谱发生红移，实现表面等离子体共振带和激励光谱与出射光谱的耦合，从而得到低阈值、高强度的稳定随机激光出射。
附图说明
图1为本发明激光器层状结构示意图；
图2为本发明激光器使用状态图。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例1：一种基于表面等离子体的量子点随机激光器，如图1所示，包括顺序层叠的第一玻璃基板1、PVA间隔层4、Ag纳米粒子7和第二玻璃基板2。
第一玻璃基板1内表面上设置若干条相互平行的微米级凹槽3，CdSe/SnS量子点沉积在这些凹槽3中，凹槽3的宽度为80μm，深度为45μm，间隔为1mm。
第二玻璃基板2内表面上固定有Ag纳米粒子7，PVA间隔层4位于Ag纳米粒子7与CdSe/SnS量子点之间，厚度为40nm。
上述激光器的制备方法具体操作如下：
(1)在第一玻璃基板1上用金刚石刻蚀出微米级凹槽3，将CdSe/SnS量子点通过旋涂的方式沉积在凹槽3中，旋涂速度为300rpm/120s；
(2)第二玻璃基板2用Aminopropyltrimethoxysilane(APTMS)硅烷化3h，漂洗、在100℃下烘干1h后将其浸入Ag纳米粒子7胶体悬浮液中2.5h，之后取出在100℃下烘干10min；
(3)将间隔层4的材料旋涂在第二玻璃基板的Ag纳米粒子上，旋涂速度为3000rpm；
(4)两块玻璃基板处理后连接固定。
如图2所示，在外界泵浦光5的照射下，该随机激光器将在侧面出射随机激光6。
实施例2：与实施例1大致相同，所不同的是量子点选用CdSe/CdS量子点，金属纳米粒子为Au纳米粒子，凹槽3的宽度为40μm，深度为30μm，间隔为2mm，间隔层4材料选择PMMA，厚度为15nm。制备过程中，量子点4的旋涂速度为200rpm/120s，第二玻璃基板2用APTMS硅烷化2h，漂洗、烘干后将其浸入Au纳米粒子7胶体悬浮液中1h，PMMA间隔层4的旋涂速度为5000rpm。
实施例3：与实施例1大致相同，所不同的是量子点选用CdSe/SnS量子点，金属纳米粒子为Ag纳米粒子，凹槽3的宽度为120μm，深度为60μm，间隔为3mm，间隔层4材料选择PMMA，厚度为70nm。制备过程中，量子点4的旋涂速度为400rpm/l20s，第二玻璃基板2用APTMS硅烷化4h，漂洗、烘干后将其浸入Ag纳米粒子7胶体悬浮液中4h，PMMA间隔层4的旋涂速度为2000rpm。

Claims (6)

1.一种基于表面等离子体的量子点随机激光器，其特征在于：包括顺序层叠的第一玻璃基板、间隔层和第二玻璃基板，所述第一玻璃基板在与间隔层贴合的表面上设有微米级凹槽供量子点沉积，所述间隔层中含有固定在第二玻璃基板上的金属纳米粒子，控制金属纳米粒子与量子点之间的距离。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的量子点随机激光器，其特征在于：各个微米级凹槽之间相互平行。
3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离子体的量子点随机激光器，其特征在于：所述微米级凹槽的宽度为40μm-120μm，深度为30μm-60μm。
4.根据权利要求1所述的基于表面等离子体的量子点随机激光器，其特征在于：所述间隔层采用透明高分子聚合物。
5.根据权利要求1或4所述的基于表面等离子体的量子点随机激光器，其特征在于：所述间隔层的厚度为15nm-70nm。
6.一种如权利要求1所述的基于表面等离子体的量子点随机激光器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在第一玻璃基板上刻蚀出微米级凹槽，将量子点通过旋涂的方式沉积在凹槽中，旋涂速度为200rpm-400rpm；
(2)第二玻璃基板用APTMS硅烷化2h-4h，漂洗、烘干后将其浸入金属纳米粒子胶体悬浮液中1h-4h，之后取出烘干；
(3)将间隔层的材料旋涂第二玻璃基板的金属纳米粒子上，旋涂速度为2000rpm-5000rpm；
(4)两块玻璃基板处理后连接固定。
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