CN110591111A - 一种基于金属-有机框架纳米晶的可控动态调谐随机激光散射材料、激光器件及制备与应用 - Google Patents

一种基于金属-有机框架纳米晶的可控动态调谐随机激光散射材料、激光器件及制备与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于金属‑有机框架的可控动态调谐随机激光散射材料、激光器件及其制备与应用，该散射材料的原料分别溶解于N，N‑二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.5‑1.3：2.0‑4.0：1.3‑3.0。本发明利用上述散射材料作为强散射中心，激光染料分子为增益材料，通过改变MOFs孔洞温度可调节激光发射波长曲线，实现对激光发射中心10‑30nm范围内的可控动态调谐。作为随机激光器件在光通信、数字存储和能量转换领域具有良好的应用。

Description

一种基于金属-有机框架纳米晶的可控动态调谐随机激光散 射材料、激光器件及制备与应用
技术领域
本发明涉及激光器件技术领域，尤其涉及可控动态调谐的随机激光散射材料、激光器件及制备与应用。
背景技术
随机激光因其从基础研究到发光二极管、生物探针、数据加密和无散斑成像等众多领域的潜在应用而受到广泛关注。与传统激光器相比，随机激光器通过光在随机分布的粒子中多次散射实现光学反馈，无需精确的制备谐振腔体，从而获得性能优异的激光出射，因此具有制造成本低，方法简单的优势。近年来，高度集成光子器件对信息密度和带宽的要求越来越高，迫切需要具有光学性能动态可调的随机激光器，目前随机激光器的调谐主要是基于控制液晶分子或纳米线等散射中心的取向来实现局部折射率的差异，从而调控随机激光的光学性能。然而，在这些系统中，由于散射介质的随机分布属性，无法对其有效控制，导致激光的调谐范围十分受限。通过调控随机激光器件中的增益材料的增益区间是实现随机激光性能宽谱调制的一种潜在有效方式。然而，目前固态随机激光器中增益材料或分子在激光体系中通常是固定的，导致其对外部刺激响应不敏感，从而使随机激光无法实现宽谱动态调制。
此外，美国专利文件US20190074657A1公开了随机激光增益介质的随机激光光固化组合物(1)，其包含:-激光染料分子(11)；-用于将激光染料分子悬浮在其中的光学胶(12)；其中光学胶是巯基酯基的并且包含甲基丙烯酸酯和/或其衍生物。但是这种随机激光不易调控，且制备工艺复杂。
中国专利文件CN104953449A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。其使用金属纳米颗粒作为散射材料。但是这种随机激光制备成本较高，且以金属纳米颗粒作为散射中心，损耗严重，效率不高。
金属-有机框架(MOFs)纳米粒子，通常具有较高的折射率，可以对光子提供较强的反馈，且其可以自组装成各种微、纳米结构，如线、管和立方体，从而使其在设计新型随机激光器方面作为优异散射中心具有巨大潜力。同时，MOFs的孔洞结构可以封装并在空间上分离有机增益分子，这将降低有机染料分子间的相互作用，抑制非辐射损耗过程，从而为有效设计低泵浦阈值的随机激光器提供希望。此外，MOFs孔的微环境易于受外界刺激而变化。因此通过改变MOF孔微环境，可以有效地控制内部有机增益分子的激发态增益过程，从而为实现宽谱动态可调随机激光器提供可能。因此，将MOFs纳米粒子作为散射粒子，并且在其孔洞掺入响应型激光增益材料，可以有效控制光放大、散射等光与物质相互作用，从而为构筑动态可调的有源光学材料和随机激光器件提供新的手段。
目前，基于金属-有机框架的可动态调谐的随机激光散射材料及其激光器件未见过多报道，为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光散射材料、激光器件及其制备与应用
本发明的技术方案如下：
一种基于金属-有机框架的随机激光散射材料，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.5-1.3：2.0-4.0：1.3-3.0。
根据本发明，优选的，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.8-1.3：2.0-3.0：1.7-2.7。
根据本发明，优选的，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度百分比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.9-1.1：2.0-2.5：1.9-2.5。
根据本发明，所述随机激光散射材料的制备方法，包括步骤如下：
按摩尔比量取腺嘌呤、联苯二甲酸、乙酸锌·二水合物的N，N-二甲基甲酰胺溶液，将其混合置于玻璃瓶，并加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后进行高温反应，产物经洗涤烘干后的粉末即为散射材料。
根据本发明，优选的，烘干后的粉末平均粒径为0.7-1.1μm。
根据本发明，优选的，反应温度为40-85℃；优选的，反应时间为10-40h。
根据本发明，优选的，N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水的体积比为1：0.2-0.4：0.005-0.02；
优选的，腺嘌呤的摩尔量与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为1：(19-26)mol/L。
根据本发明，一种可动态调谐随机激光器件，包括由上述散射材料和增益介质组成的复合体和载体，所述的复合体负载在载体中，即得到激光器件。
根据本发明的激光器件，优选的，所述的增益介质为激光染料，进一步优选激光染料LDS600、LDS722、LDS798。
优选的，增益介质的浓度为0.3-0.5mM。
根据本发明的激光器件,本发明对所有具有合适孔洞的MOFs及具有分子内电荷转移特征的激光分子均适用,不仅仅局限于此种MOFs和上述三种染料。
根据本发明的激光器件，复合体为固体压片的形式。
根据本发明的激光器件，制作复合体时，先将散射材料粉末浸入增益介质溶液，再将包裹增益介质的散射材料高压压制成薄片即可制得复合体，最后将复合体放置于载体上。
根据本发明，优选的，所述的载体为加热模块。
根据本发明，利用上述散射材料(金属-有机框架(MOFs)纳米粒子)作为强散射中心，激光染料分子为增益材料，通过改变MOFs孔洞温度可调节激光发射波长曲线，实现对激光发射中心10-30nm范围内的可控动态调谐。
根据本发明，上述基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件的应用，作为随机激光器件在光通信、数字存储和能量转换领域应用。
本发明提出了一种利用易制备低成本的金属-有机框架材料构成强散射中心，激光染料分子为增益材料，通过有效控制MOFs孔洞温度，能够在MOFs基激光器中可控调谐激光性能。结果表明，这种稳定且可广泛调谐的激光器件可在光通信、激光显示或化学传感的小型化激光器领域进行良好应用。
本发明的原理：
本发明以金属-有机框架材料构替代传统的TiO2、金属颗粒等作为散射中心，MOFs的孔隙填充效应有助于抑制激光染料的非辐射跃迁过程，此外，良好的多面MOF纳米粒子可以作为高折射率的散射中心，因此能够获得非常稳定的低阈值激光，通过有效控制MOFs孔洞温度，能够在MOFs基激光器中获得发射波长中心10-30nm范围内可调谐的激光性能。本发明不仅局限于此种MOF材料和此3种激光染料分子材料,本发明对所有具有合适孔洞的MOFs及具有分子内电荷转移特征的激光分子均适用。
本发明各原料所起的作用：乙酸锌·二水合物为金属-有机框架(MOFs)提供金属节点Zn2+，与腺嘌呤构成基本结构单元，联苯二甲酸为有机配体，三者共同构成金属-有机框架(MOFs)纳米粒子，激光染料分子为增益材料通过离子交换掺入MOFs，加热模块起到改变MOFs孔洞温度的作用，通过调控加热模块实现激光发射波长中心的移动。
本发明的有益效果是：
本发明选择金属-有机框架(MOFs)作为散射介质及随机谐振腔，掺入具有分子内电荷转移特征的激光染料分子作为增益介质，MOFs的孔隙填充效应有助于抑制激光染料分子的空间扭转，良好的多面MOF纳米粒子可以作为高折射率的散射中心，因此能够获得低阈值的随机激光，利用单一元件的多重功效，实现发射波长10-30nm范围内可控动态调谐的随机激光；制作方法简单，调控方式灵活；可用于光通信、数字存储和能量转换等领域。
附图说明
图1为本发明实施例1-6中基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件的结构示意图。
图2为本发明实施例4中基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件不同温度下激发所产生的归一化发射光谱。
图3为本发明实施例5中基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件不同温度下激发所产生的归一化发射光谱。
图4为本发明实施例6中基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件不同温度下激发所产生的归一化发射光谱。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.5：4.0：3.0混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 722-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，增加激发能量，出现激光尖峰后，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移。
实施例2
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.7：3.0：2.5混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 722-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，增加激发能量，出现激光尖峰后，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移。
实施例3
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝1.3：2.5：2.5混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 722-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，增加激发能量，出现激光尖峰后，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移。
实施例4
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝1：2.0：2.0混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 722-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在698nm处，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移，在不同温度下激发所产生的归一化发射光谱如图2所示。
实施例5
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝1：2.0：2.0混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 600-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在625nm处，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移，在不同温度下激发所产生的归一化发射光谱如图3所示。
实施例6
本实施例的金属-有机框架(MOFs)原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
按摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝1：2.0：2.0混合后装入玻璃瓶，加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后80℃反应24h，降温后对产物进行洗涤及真空烘干，以烘干后的粉末作为强散射体。
取50mg粉末浸入LDS 798-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，即得到基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件。结构示意图如图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在766nm处，调节加热模块使其从298K加热至500K,可以观察到发射波长中心10-30nm的红移，在不同温度下激发所产生的归一化发射光谱如图4所示。
对比例1
如实施例1所述，不同的是：
摩尔浓度比腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.1：6.0：7.0。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，增加激发能量，因散射材料配比不佳，结构较差，因此对染料分子空间扭转的抑制作用大大减少，出现激光尖峰后短时间内激光消失，使染料激光发生淬灭现象。
对比例2
如实施例1所述，不同的是：
高压压制好的薄片未置于加热模块上。使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，由于缺少对样品微孔环境的调谐，导致样品激光发射波长中心无明显变化，无法对样品发射波长中心进行可控动态调谐。
对比例3
取50mg TiO2粉末浸入LDS 722-N，N-二甲基甲酰胺溶液，洗涤多余的染料后真空烘干样品，所得粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)，将薄片置于加热模块上，结构示意图同图1所示。
使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，增加激发能量，因TiO2粉末仅作为散射材料，无金属-有机框架(MOFs)所具有的特殊孔洞结构，因此对激光染料分子的掺入量较少，同时对掺入的激光染料分子空间扭转的限制作用不佳，致使出现的激光模式不佳，增大了泵浦阈值，降低了输出效率。

Claims (10)

1.一种基于金属-有机框架的随机激光散射材料，其特征在于，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.5-1.3：2.0-4.0：1.3-3.0。
2.根据权利要求1所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料，其特征在于，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.8-1.3：2.0-3.0：1.7-2.7。
3.根据权利要求1所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料，其特征在于，该散射材料的原料分别溶解于N，N-二甲基甲酰胺，包括如下摩尔浓度百分比的化学组成:
腺嘌呤:联苯二甲酸：乙酸锌·二水合物＝0.9-1.1：2.0-2.5：1.9-2.5。
4.权利要求1所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料的制备方法，包括步骤如下：
按摩尔比量取腺嘌呤、联苯二甲酸、乙酸锌·二水合物的N，N-二甲基甲酰胺溶液，将其混合置于玻璃瓶，并加入N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水后进行高温反应，产物经洗涤烘干后的粉末即为散射材料。
5.根据权利要求4所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料的制备方法，其特征在于，烘干后的粉末平均粒径为0.7-1.1μm。
6.根据权利要求4所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料的制备方法，其特征在于，反应温度为40-85℃；优选的，反应时间为10-40h。
7.根据权利要求4所述的基于金属-有机框架的随机激光散射材料的制备方法，其特征在于，N，N-二甲基甲酰胺、甲醇、去离子水的体积比为1：0.2-0.4：0.005-0.02；
优选的，腺嘌呤的摩尔量与N，N-二甲基甲酰胺的体积比为1：(19-26)mol/L。
8.一种可动态调谐随机激光器件，包括由权利要求1所述的散射材料和增益介质组成的复合体和载体，所述的复合体负载在载体中，即得到激光器件。
9.根据权利要求8所述的激光器件，其特征在于，所述的增益介质为激光染料，进一步优选激光染料LDS600、LDS722、LDS798；
优选的，增益介质的浓度为0.3-0.5mM；
优选的，所述的载体为加热模块。
10.权利要求8所述的基于金属-有机框架的可动态调谐随机激光器件的应用，作为随机激光器件在光通信、数字存储和能量转换领域应用。
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