CN109586155A - 基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，随机激光器包括玻璃基板和其上附着的PDMS薄膜，PDMS薄膜为内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液与PDMS混合固化形成。本发明中的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，制作简单，能够产生低阈值、高强度、稳定的随机激光。

Description

基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器
技术领域
本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种随机激光器。
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。与传统激光器相比，随机激光在产生机理及发光特性上有许多显著的不同，随机激光的产生无需外加谐振腔，它源自激活无序介质，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。随机激光在各个方向都能观察到随机激光辐射，且观察角度不同时，谱线结构和发射强度也会发生变化，发光特性在时间、空间、光谱上随机波动。
由于量子点材料本身可以发挥增益介质的作用，同时量子点相比周围的介质具有更高的折射率，可以提供散射，而作为散射介质。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。在随机激光的应用中，量子点通常以薄膜的形式使用。由于量子点在聚合物基体中分散制备的薄膜中固定了量子点，因此量子点之间的距离是固定的。但是量子点在聚合物基体中的简单混合通常会导致聚合和量子产率的降低。
采用SiO2球固定量子点，控制量子点之间的间距，提高随机激光的稳定性，吸引了众多科研人士的关注。但现有技术中一般采用实心SiO2球固定量子点，再制成薄膜来产生随机激光，实心SiO2球的折射率与周围量子点的折射率相差较大，量子点浓度较大时量子效率较低，同时由于散射强度的限制，一定泵浦强度下产生得随机激光强度较低。文献“Advanced Materials 2017，1，185”中用氨基化的Si02固定钙钛矿量子点，产生了非常稳定的随机激光，但是一定的量子点浓度，量子效率较低，一定泵浦强度下产生的随机激光强度较低。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，制作简单，解决产生的随机激光阈值高、强度低、稳定性差的问题。
技术方案：本发明所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，随机激光器包括玻璃基板和其上附着的PDMS薄膜，PDMS薄膜为内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液与PDMS混合固化形成。
为了进一步优化随机激光器的性能，SiO2球壳的外部直径为200-500nm。
优选地，介孔直径为10-30nm。
优选地，PDMS薄膜厚度为30μm-60μm。
优选地，量子点的浓度为0.5-2.5μM。
发明原理：本发明中的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，量子点在随机激光出射过程中同时充当散射介质和增益介质的作用，简化了随机激光器的制备方法。在介孔SiO2球壳内部和外部同时结合形成量子点，对该结构而言，量子点被SiO2球壳固定，整体结构十分稳定，量子点之间的距离可以控制，有效减小了荧光共振能量转移，从而提高了量子产率；同时抑制了光诱导再生长和衰减，有着非常好的时间稳定性。SiO2球壳内外同时结合量子点，光子既可以在介孔SiO2球壳外部进行散射，也可以通过介孔在SiO2球壳内部进行散射，出射光再通过介孔从SiO2球壳内部出射，这样就大大增加了系统的多重散射，更容易形成振荡，能够较好地提高随机激光的强度。同时可控的量子点间距有效避免了荧光猝灭现象，也有利于得到低阈值、高强度的稳定随机激光出射。用这种内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液与PDMS混合固化形成PDMS薄膜，再将PDMS薄膜附着于玻璃基板上即制备得到随机激光器。本发明中的随机激光器制作简单，能够产生低阈值、高强度、稳定的随机激光。
有益效果：本发明中的随机激光器采用介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜制备，这种内外结合量子点的介孔SiO2球壳结构中：内外量子点被SiO2球壳固定，量子点之间的距离可以控制，有效减小了荧光共振能量转移，相对于SiO2球固定量子点结构，提高了量子产率；同时抑制了光诱导再生长和衰减，有着非常好的时间稳定性，能够得到稳定的随机激光；更容易形成振荡，从而提高了随机激光的强度；量子点间距可控，有效避免了荧光猝灭现象，能够得到低阈值、高强度的稳定随机激光出射。本发明中的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，制作简单，能够产生低阈值、高强度、稳定的随机激光。
附图说明
图1是本发明中的随机激光器结构示意图；
图2是本发明中的内外结合量子点的介孔SiO2球壳结构示意图；
图3是本发明中光子在内外结合量子点的介孔SiO2球壳中的散射示意图。
附图标记为：1、玻璃基板；2、PDMS薄膜；3、SiO2球壳；4、外置泵浦光；5、随机激光；6、外部结合的量子点；7、内部生长的量子点；8、介孔结构。
具体实施方式
如图1所示，本发明中的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，包括玻璃基板1和其上附着的PDMS薄膜2，PDMS薄膜2为内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液与PDMS混合固化形成。将Nd：YAG激光器输出的波长为355nm的紫外光，经过外置泵浦光路，最终形成规格为0.5mm×8mm的条形泵浦光即为外置泵浦光4，当外置泵浦光照射到随机激光器上，出射随机激光5。
其中，内外结合量子点的介孔SiO2球壳结构如图2所示，这种结构包括SiO2球壳3、介孔结构8、SiO2球壳外部结合的量子点6以及SiO2球壳内部生长的量子点7。
如图3所示，当外置泵浦光4照射随机激光器时，如图中箭头所示，光子既可以在介孔SiO2球壳3外部进行散射，也可以通过介孔在SiO2球壳3内部进行散射，出射光再通过介孔从SiO2球壳3内部出射，大大增加了系统的多重散射，更容易形成振荡，能够较好地提高随机激光的强度。
上述随机激光器的制备方法(内外结合的量子点都为CdSe)：
1、将外部直径为350nm的SiO2球壳3分散在含1gPVP和20mLH2O的溶液中，冷却3h，冷却后加入5mL浓度为0.2g/mL的NaOH溶液，诱导SiO2球壳3进行选择性刻蚀，得到介孔直径为20nm的SiO2球壳3。所得介孔SiO2球壳3经离心分离后，用水冲洗3次，室温干燥12h。
2、将25mg步骤1所得的介孔SiO2球壳3加入到含有0.158g Se (2mmol)和TOP1.1mL(2.4mmol)的Se-TOP溶液中，在90℃下搅拌30min直至介孔SiO2球壳3在溶液中均匀分散。将0.0127g CdO、0.114g硬脂酸、1.94g TOPO混合于50mL瓶中，真空加热至150℃。而后加入1mL的油胺，将反应体系加热至320℃，在Ar气氛保护下形成一种光学透明的溶液，将前述制备的介孔硅硒原液注入其中。再将体系温度设为290℃，使量子点在介孔SiO2球壳3内部生长。而后采用离心机在6000rpm下离心5min，从游离CdSe纳米晶中分离出内部长有CdSe量子点的介孔SiO2球壳3，并用甲苯对其洗涤两次。
3、将步骤2得到的介孔SiO2球壳3与1.5mgCdSe量子点分散在10ml四氢呋喃中。使用磁力搅拌器搅拌10min后，离心分离出内外结合量子点的介孔SiO2球壳3。
4、取2ml步骤3得到的内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液，加入1g PDMS后，使用磁力搅拌器将其搅拌20min。
5、使用真空干燥器干燥步骤4得到的PDMS混合溶液，控制真空干燥器的干燥时间，使得到的PDMS混合溶液中量子点的浓度范围为1.5μM。
6、用旋涂机将步骤5得到的PDMS混合溶液涂敷在洗净的玻璃基板1(3cm×3cm)上，200rpm下旋涂80s。
7、将旋涂了薄膜的玻璃基板1放置在烘箱中130℃下烘烤30min，使制成的薄膜固化，即制备成基于介孔SiO2球壳3内外结合量子点薄膜的随机激光器。
8、将Nd：YAG激光器输出的波长为355nm的紫外光，经过外置泵浦光路，最终形成规格为0.5mm×8mm的条形泵浦光即为外置泵浦光4，当外置泵浦光4照射到随机激光器上，出射随机激光。
为了进一步优化随机激光器的性能，使其能够更好地产生低阈值、高强度、稳定的随机激光。用于制备PDMS薄膜2的步骤1中的SiO2球壳3的外部直径为200-500nm；通过控制上述步骤1中的SiO2球壳3刻蚀时间，使SiO2球壳3上的介孔直径为10-30nm；通过控制上述步骤5中的PDMS混合溶液的干燥时间，使量子点的浓度为0.5-2.5μM；通过控制上述步骤6中玻璃基板1上涂敷PDMS混合溶液的量，使后续固化形成的PDMS薄膜2厚度为30μm-60μm。
本发明中的介孔SiO2球壳内外结合的量子点，可以采用内外相同的量子点(CdSe/CdSe)，也可以采用两种不同的量子点(CdSe/CdTe)。

Claims (6)

1.一种基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述随机激光器包括玻璃基板(1)和其上附着的PDMS薄膜(2)，所述PDMS薄膜(2)为内外结合量子点的介孔SiO2球壳溶液与PDMS混合固化形成。
2.根据权利要求1所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述SiO2球壳(3)的外部直径为200-500nm。
3.根据权利要求1所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述介孔直径为10-30nm。
4.根据权利要求1所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述量子点的浓度为0.5-2.5μM。
5.根据权利要求1所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述PDMS薄膜(2)厚度为30μm-60μm。
6.根据权利要求1所述的基于介孔SiO2球壳内外结合量子点薄膜的随机激光器，其特征在于：所述介孔SiO2球壳内外结合的量子点均为CdSe。
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