CN111276864A - 基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法 - Google Patents

基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法 Download PDF

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CN111276864A CN202010136840.6A CN202010136840A CN111276864A CN 111276864 A CN111276864 A CN 111276864A CN 202010136840 A CN202010136840 A CN 202010136840A CN 111276864 A CN111276864 A CN 111276864A
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代康
张那明
张一凡
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Abstract

本发明公开了基于金属薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法，该激光器包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层；金属薄膜层为能够产生等离子体效应SPP的金属薄膜，第一金属纳米粒子层为能够实现等离子体效应LSPR的金属纳米粒子；增益介质层内随机分布有一定掺杂浓度的具有LSPR效应的第二金属纳米粒子。本发明在第一金属纳米粒子与金属薄膜组成的等离子体复合结构基础之上，通过在增益介质层掺杂第二金属纳米粒子使增益介质的激射性能增强；同时第一金属纳米粒子层及金属薄膜还能分别与其附近的增益介质里的第二金属纳米粒子实现等离子体耦合，进一步增强电场，进而显著增强增益介质激射性能。

Description

基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体为一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法。
背景技术
有机固体激光器具有制备工艺简单、成本低廉、材料丰富、出射波长易于调节等众多优点，因此在军事、医疗、通讯、科研等领域拥有巨大的市场前景，并受到国内外研究者的广泛关注。
目前，有机固体激光器在光泵浦方面已取得很大进展，随着人们对光电器件的进一步认识，实现电泵浦有机固体激光器成为人们追求的目标。金属电极在电泵浦有机固体激光器中是必不可少的，然而由于金属电极对其附近的荧光分子发射光有很强的猝灭和吸收损耗，导致有机功能材料的激射阈值过高，难以实现电泵浦有机固体激光器，因此，避免金属电极对有机功能材料的光猝灭及吸收损耗，进一步降低有机分子及其体系的激射阈值，不仅有助于实现低阈值光泵浦有机固体激光器，也是实现电泵浦有机固体激光器的前提条件之一。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法。
本发明的第一个目的是提供一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层；
其中，所述金属薄膜层为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的金属薄膜，所述第一金属纳米粒子层由能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子组成；所述增益介质层内随机分布有第二金属纳米粒子，所述第二金属纳米粒子为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，所述增益介质层内第二金属纳米粒子的掺杂浓度为1×10-8g/cm3-9×10-2g/cm3。
优选地，该低阈值有机固体激光器还包括第一隔离介质层和/或第二隔离介质层；所述第一隔离介质层层叠设置于所述金属薄膜层与所述第一金属纳米粒子层之间，所述第二隔离介质层层叠设置于所述第一金属纳米粒子层与增益介质层之间。
更优选地，所述第一金属纳米粒子层和所述第二金属纳米粒子分别独立选自金、银、铂材质的纳米球、纳米棒、纳米立方、纳米三角形、纳米线或各种纳米尺寸形状的金属纳米粒子；所述第一金属纳米粒子与所述第二金属纳米粒子相同或不同。
更优选地，所述增益介质层内第二金属纳米粒子的掺杂浓度为8.95×10-6g/cm3-2.61×10-3g/cm3。
更优选地，所述第一隔离介质层和所述第二隔离介质层均为SiO2层、LiF层、聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯层，厚度为1-100nm。
优选地，所述金属薄膜层为厚度为10-100nm的银薄膜或金薄膜。
优选地，所述增益介质层的材料包括高分子聚合物和激光染料，所述高分子聚合物与所述激光染料的质量比1～80：1。
更优选地，所述高分子聚合物为聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯；所述激光染料为红光激光染料或蓝光激光染料，其光发射波长均在可见光范围内。
本发明的第二个目的是提供上述基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器的制备方法，包括以下步骤：
S1，通过真空蒸镀法或磁控溅射法在衬底上沉积金属薄膜，得到厚度为10-100nm的金属薄膜层；
S2，将第一金属纳米粒子以自组装、旋涂或滴涂的方式沉积在所述金属薄膜层上，得到第一金属纳米粒子层，厚度为1-200nm；
S3，将高分子聚合物与激光染料混合后加入有机溶剂中充分溶解，并向其中掺杂第二金属纳米粒子，得到混合液，将所述混合液旋涂在所述第一金属纳米粒子层表面，得到厚度为0.1-3μm的增益介质层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的有机固体激光器，包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层，增益介质层内随机分布有第二金属纳米粒子；第一金属纳米粒子层中的金属纳米粒子和第二金属纳米粒子均具有局域表面等离子体(LSPR)效应，金属薄膜层中的金属薄膜具有非局域表面等离子体效应(SPP)效应。首先，当金属纳米粒子的LSPR与金属薄膜的SPP耦合时，所产生的局域电场强度相比于单独的金属纳米粒子或者金属薄膜的电场强度更强，且由于金属薄膜的外反馈作用，相比于单独的金属纳米粒子，复合结构具有更强的散射效应，因此第一金属纳米粒子与金属薄膜组成的等离子体复合结构相比于单独的金属纳米粒子或者金属薄膜有更强的局域电场与散射强度。其次，通过在增益介质层中进一步随机分布一定掺杂量的第二金属纳米粒子，掺杂的第二金属纳米粒子要求为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，因此具有强的局域电场及散射效应，这使得器件中在第一金属纳米粒子层与金属薄膜组成的等离子体复合结构基础之上具有第二金属纳米粒子产生的额外的强局域场及散射效应，可以进一步增强增益介质的激射性能。最后，第一金属纳米粒子层和金属薄膜还能分别与其附近的增益介质里掺杂的第二金属纳米粒子实现等离子体耦合，进而进一步增强电场，显著增强增益介质的激射性能。
因此，本发明制备出的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器具有更强的激射现象，更好的降低了激光阈值，达到优化激光器性能的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1的有机激光器的结构图；
图2为本发明实施例2的有机激光器的结构图；
图3为本发明实施例3的有机激光器的结构图；
图4为(a)单独银纳米球，(b)间距为10nm的银纳米球(直径50nm)与银薄膜(厚度50nm)组成的等离子体复合结构，(c)间距为18nm的两个银纳米球(直径50nm)，分别在435nm波长激发下的电场分布图。
图中：1、衬底；2、金属薄膜层；3、第一隔离层；4、第一金属纳米粒子层；5、第二隔离层；6、增益介质层；7、第二金属纳米粒子。
具体实施方式
下面结合本发明的具体实施例和附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明不限于这些实施例。
实施例1
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图1所示，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、增益介质层6，且增益介质层6内随机分布的第二金属纳米粒子7；
其中，金属薄膜层2为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的银薄膜层，厚度为50nm，第一隔离介质层3为厚度为20nm的SiO2隔离层，第一金属纳米粒子层4为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的银纳米球岛膜层，这些银纳米球的直径为50nm，银纳米球岛膜层的厚度为50nm；增益介质层6的材料由聚苯乙烯PS与蓝色激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6内还随机分布有第二金属纳米粒子7，这些第二金属纳米粒子7亦为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的直径为50nm银纳米球，增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(20nm)/Ag nanospheres(50nm)/PS:BMT-TPD mingled with Ag nanospheres(300nm)。
上述低阈值有机固体激光器的具体制备方法具体如下：
(1)通过真空蒸镀法在衬底1上沉积银薄膜，得到厚度为50nm的银薄膜层；
(2)在银薄膜层上制备SiO2隔离层，具体是将SiO2通过磁控溅射的方式沉积在银薄膜层上，得到第一隔离介质层3；
(3)将直径为50nm的银纳米球以自组装的方式沉积在上述第一隔离介质层3上，得到第一金属纳米粒子层4；
(4)将聚苯乙烯与激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比混合后加入氯仿溶液中超声溶解后，往混合液中另加入直径为50nm的银纳米球，控制增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，然后再以3000r/min的速度旋涂在第一金属纳米粒子层4上，得到厚度为300nm的增益介质层6，以完成有机固体激光器的制备。
实施例2
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图2所示，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5和增益介质层6，且增益介质层6内随机分布的第二金属纳米粒子7；
其中，金属薄膜层2为厚度为50nm银薄膜层，第一金属纳米粒子层4为银纳米球的直径为50nm形成的厚度为50nm的银纳米球岛膜层；第二隔离介质层5为厚度20nm的LiF隔离层；增益介质层6的材料由聚苯乙烯与蓝色激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比组成，且增益介质层6内还随机分布有掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3的银纳米球，银纳米球的直径为50nm，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/Ag nanospheres(50nm)/LiF(20nm)/PS:BMT-TPD mingled with Ag nanospheres(300nm)。
上述低阈值有机固体激光器的具体制备过程中，金属薄膜层2、第一金属纳米粒子层4和增益介质层6的制备过程与实施例1相同。第二隔离介质层5的制备过程为：将LiF通过真空蒸镀的方式沉积在银纳米球层岛膜上，得到第二隔离介质层5，之后再制作增益介质层6。
上述低阈值有机固体激光器的具体制备方法具体如下：
(1)通过真空蒸镀法在衬底1上沉积银薄膜，得到厚度为50nm的银薄膜层；
(2)将直径为50nm的银纳米球以自组装的方式沉积在上述银薄膜层上，得到第一金属纳米粒子层4；
(3)将LiF通过真空蒸镀的方式沉积在第一金属纳米粒子层4上，得到第二隔离介质层5；
(4)将聚苯乙烯与激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比混合后加入氯仿溶液中超声溶解后，往混合液中另加入直径为50nm的银纳米球，控制增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，然后再以3000r/min的速度旋涂在第二隔离介质层5上，得到厚度为300nm的增益介质层6，以完成有机固体激光器的制备。
实施例3
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图3所示，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5和增益介质层6，且增益介质层6内随机分布的第二金属纳米粒子7；
其中，金属薄膜层2为厚度为50nm银薄膜层，第一隔离介质层3为厚度为10nm的SiO2隔离层，第一金属纳米粒子层4为银纳米球的直径为50nm形成的厚度为50nm的银纳米球岛膜层；第二隔离介质层5为厚度10nm的LiF隔离层；增益介质层6的材料由聚苯乙烯与蓝色激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比组成，且增益介质层6内还随机分布有掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3的银纳米球，银纳米球的直径为50nm，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(10nm)/Ag nanospheres(50nm)/LiF(10nm)/PS:BMT-TPD mingled with Ag nanospheres(300nm)。
上述低阈值有机固体激光器的具体制备方法具体如下：
(1)通过真空蒸镀法在衬底1上沉积银薄膜，得到厚度为50nm的银薄膜层；
(2)在银薄膜层上制备SiO2隔离层，具体是将SiO2通过磁控溅射的方式沉积在银薄膜层上，得到第一隔离介质层3；
(3)将直径为50nm的银纳米球以自组装的方式沉积在上述第一隔离介质层3上，得到第一金属纳米粒子层4；
(4)将LiF通过真空蒸镀的方式沉积在第一金属纳米粒子层4上，得到第二隔离介质层5；
(5)将聚苯乙烯与激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比混合后加入氯仿溶液中超声溶解后，往混合液中另加入直径为50nm的银纳米球，控制增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，然后再以3000r/min的速度旋涂在第二隔离介质层5上，得到厚度为300nm的增益介质层6，以完成有机固体激光器的制备。
实施例4
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图3所示，器件具体结构和实施例3相同，不同之处仅在于：增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度不同，本实施例为2.61×10-3g/cm3。
该低阈值有机固体激光器的具体制备方法也和实施例3提供的方法相同，不同之处也仅在于：制备增益介质层6时，控制增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为2.61×10-3g/cm3，在这里就不一一做具体描述。
实施例5
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图3所示，器件具体结构和实施例3相同，不同之处仅在于：增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度不同，本实施例为8.95×10-6g/cm3。
该低阈值有机固体激光器的具体制备方法也和实施例3提供的方法相同，不同之处也仅在于：制备增益介质层6时，控制增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为8.95×10-6g/cm3，在这里就不一一做具体描述。
实施例6
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图3所示，器件具体结构和实施例3相同，不同之处仅在于：将厚度为50nm的银薄膜层替换为厚度为50nm的金薄膜层。
具体器件结构表述如下：glass/Au film(50nm)/SiO2(10nm)/Ag nanospheres(50nm)/LiF(10nm)/PS:BMT-TPD mingled with Ag nanospheres(300nm)。其制备方法同实施例3，不同之处仅在于：金薄膜需要用磁控溅射法沉积在衬底上。
实施例7
本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图3所示，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5和增益介质层6，且增益介质层6内随机分布的第二金属纳米粒子7；
其中，金属薄膜层2为银薄膜层，厚度为50nm；第一隔离介质层3为厚度为10nm的SiO2隔离层，第一金属纳米粒子层4为金纳米立方岛膜，这些金纳米立方的边长为60nm，金纳米立方岛膜的厚度为60nm；第二隔离介质层5为厚度为10nm的LiF隔离层。增益介质层6的材料由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，荧光分子Alq3与红色激光染料DCJTB组成的Forster能量转移系统为整体作为激光染料(PS:Alq3:DCJTB＝200:100:3.5，wt％)，增益介质层6材料内随机分布有长度为50nm，横纵比为3的金纳米棒，掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(10nm)/Au nanocubes(60nm)/LiF(10nm)/PMMA:Alq3:DCJTB mingled with Au nanorods(300nm)。
该低阈值有机固体激光器的具体制备方法也和实施例3提供的方法相同，不同之处也仅在于，将步骤(3)中第一金属纳米粒子层4中直径为50nm的银纳米球替换为边长为60nm的金纳米立方；步骤(5)中，将制备增益介质层6的材料替换为质量比200:100:3.5的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，荧光分子Alq3与红色激光染料DCJTB，其中荧光分子Alq3与红色激光染料DCJTB组成Forster能量转移系统为整体作为激光染料，且所掺杂的第二金属纳米粒子为长度为50nm，横纵比为3的金纳米棒，在这里就不一一做具体描述。
上述实施例1-7均制备出了性能优异的低阈值有机固体激光器，需要说明的是，上述激光染料为红光激光染料或蓝光激光染料，增益介质层中组成材料的高分子聚合物与激光染料的质量比可以在1～80：1之间，其中，蓝光激光染料可以选用BMT-TPD或TPD，本发明实施例1-6中高分子聚合物均采用聚苯乙烯PS，蓝光激光染料均采用BMT-TPD作为示例，二者质量比优选4：1。红光激光染料可以选用DCJTB或罗丹明6G，本发明实施例7中高分子聚合物均采用聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，红光激光染料均采用荧光分子Alq3与红色激光染料DCJTB组成的整体作为示例，质量比优选200:100:3.5。当然，红光激光染料或蓝光激光染料也可以选用其他现有的诸多材料，均能实现本发明所要达到的目的，并不受限于本发明实施例所给出的这些举例。
需要进一步说明的是，上述第一隔离介质层3和第二隔离介质层5除了可以选用SiO2和LiF，还可以使用聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯等其它材料。
需要进一步说明的是，在低阈值有机固体激光器的增益介质层6的制备过程中，所选用的有机溶剂本发明实施例中以氯仿为例，当然，也可以选择其他有机溶剂，诸如二氯甲烷，二甲基甲酰胺，苯乙烯等。上述衬底既可以为玻璃衬底，也可以为硅衬底或柔性衬底，在本发明中不做特别的限制。
为了进一步说明本发明上述实施例所提供的技术方案具备的优异效果，本发明还提供以下对比例进行验证和说明。
对比例1
一种有机固体激光器，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5以及增益介质层6；其中，金属薄膜层2为银薄膜层，厚度为50nm；第一隔离介质层3为厚度为10nm的SiO2隔离层；第一金属纳米粒子层4为银纳米球层岛膜，这些银纳米球的直径为50nm，银纳米球层岛膜的厚度为50nm；第二隔离介质层5为厚度为10nm的LiF隔离层。增益介质层6的材料由聚苯乙烯与BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(10nm)/Ag nanospheres(50nm)/LiF(10nm)/PS:BMT-TPD(300nm)。
对比例2
一种有机固体激光器，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4以及增益介质层6；其中，金属薄膜层2为银薄膜层，厚度为50nm；第一隔离介质层3为厚度为20nm的SiO2隔离层，第一金属纳米粒子层4为银纳米球层岛膜，这些银纳米球的直径为50nm，银纳米球层岛膜的厚度为50nm；增益介质层6的材料由聚苯乙烯PS与BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(20nm)/Ag nanospheres(50nm)/PS:BMT-TPD(300nm)。
对比例3
一种有机固体激光器，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第二隔离介质层5以及增益介质层6，增益介质层6内随机分布有第二金属纳米粒子7；其中，金属薄膜层2为银薄膜层，厚度为50nm；第一隔离介质层3为厚度为10nm的SiO2隔离层，第二隔离介质层5为厚度为10nm的LiF隔离层，增益介质层6的材料由聚苯乙烯与BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6中掺杂的第二金属纳米粒子7为直径为50nm的银纳米球，银纳米球的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：
glass/Ag film(50nm)/SiO2(10nm)/LiF(10nm)/PS:BMT-TPD mingled with Agnanospheres(300nm)。
对比例4
一种有机固体激光器，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5以及增益介质层6，增益介质层6内随机分布有第二金属纳米粒子7；其中，第一金属纳米粒子层4为银纳米球岛膜，这些银纳米球的直径为50nm，厚度为50nm，第二隔离介质层5为厚度为10nm的LiF隔离层；增益介质层6的材料由聚苯乙烯PS与BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6中掺杂的第二金属纳米粒子7为直径为50nm的银纳米球，银纳米球的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：
glass/Ag nanospheres(50nm)/LiF(10nm)/PS:BMT-TPD mingled with Agnanospheres(300nm)。
对比例5
一种有机固体激光器，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、第二隔离介质层5以及增益介质层6；其中，金属薄膜层2为银薄膜层，厚度为50nm；第一隔离介质层3为厚度为10nm的SiO2隔离层；第一金属纳米粒子层4为金纳米立方岛膜，这些金纳米立方的边长为60nm，金纳米立方岛膜的厚度为60nm；第二隔离介质层5为厚度为10nm的LiF隔离层。增益介质层6的材料由聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，荧光分子Alq3与红色激光染料DCJTB按照200:100:3.5的质量比组成，增益介质层6的厚度为300nm。
具体器件结构表述如下：glass/Ag film(50nm)/SiO2(10nm)/Au nanocubes(60nm)/LiF(10nm)/PMMA:Alq3:DCJTB(300nm)。
为了验证本发明制备出的激光器的性能，本发明对实施例和对比例制备出的激光器的发光强度进行了检测，检测条件为：利用Nd:YAG纳秒激光器，以5.5ns的脉冲持续时间和10Hz的重复频率的355nm的入射光泵浦器件，获得器件的泵浦阈值。
实施例1-6提供了性能优异的蓝光激光器，实施例7提供了性能优异的红光激光器，经检测，这些激光器性能测试的具体结果如下表1所示。
表1实施例1-7以及对比例1-5提供的发光性能对比
Figure BDA0002397619120000131
Figure BDA0002397619120000141
首先，从表1提供的数据可以看出，实施例3提供的器件阈值低于对比例3、对比例4的器件阈值。证明了相比于单独的第一金属纳米粒子层4或者金属薄膜层2，金属薄膜2与第一金属纳米粒子层4的复合结构能够更好的降低激光阈值，这是由于当金属纳米粒子的LSPR与金属薄膜的SPP耦合时，所产生的局域电场强度相比于单独的金属纳米粒子或者金属薄膜的电场强度更强，且由于金属薄膜的外反馈作用，相比于单独的金属纳米粒子，复合结构具有更强的散射效应。因此在本专利中金属薄膜2与第一金属纳米粒子层4组成的等离子体复合结构，相比于单独的第一金属纳米粒子4或者金属薄膜2有更强的局域电场(如图4(a)和(b))与散射强度，进而能够更好的降低激光阈值。其次，实施例1提供的器件阈值低于对比例2的器件阈值，实施例3提供的器件阈值低于对比例1的器件阈值，实施例7提供的器件阈值低于对比例5的器件阈值，可以看出，通过在增益介质层中进一步随机分布一定掺杂量的第二金属纳米粒子，使得器件在第一金属纳米粒子层4与金属薄膜2组成的等离子体复合结构基础之上具有第二金属纳米粒子7产生的额外的强局域场(如图4(a))及散射效应，可以进一步增强增益介质的激射性能。最后，第一金属纳米粒子层4和金属薄膜2还能分别与其附近的增益介质里掺杂的第二金属纳米粒子7实现等离子体耦合，导致电场增强[如图4(b)和(c)，相比于单独的银纳米球，银薄膜与银球、银球与银球存在等离子体耦合，产生更强的电场]，从而进一步降低激光阈值，达到激光器性能的进一步优化，这也是为什么本发明上述实施例所提供器件具有更低激光阈值的内在原因。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底(1)、金属薄膜层(2)、第一金属纳米粒子层(4)和和增益介质层(6)；
其中，所述金属薄膜层(2)为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的金属薄膜，所述第一金属纳米粒子层(4)由能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子组成；
所述增益介质层(6)内随机分布有第二金属纳米粒子(7)，所述第二金属纳米粒子(7)为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，所述增益介质层(6)内第二金属纳米粒子(7)的掺杂浓度为1×10-8g/cm3-9×10-2g/cm3。
2.如权利要求1所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，还包括第一隔离介质层(3)和/或第二隔离介质层(5)；
所述第一隔离介质层(3)层叠设置于所述金属薄膜层(2)与所述第一金属纳米粒子层(4)之间，所述第二隔离介质层(5)层叠设置于所述第一金属纳米粒子层(4)与增益介质层(6)之间。
3.如权利要求1或2所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述第一金属纳米粒子层(4)和所述第二金属纳米粒子(7)分别独立选自金、银、铂材质的纳米球、纳米棒、纳米立方、纳米三角形、纳米线或各种纳米尺寸形状的纳米颗粒；
所述第一金属纳米粒子(4)与所述第二金属纳米粒子(7)相同或不同。
4.如权利要求3所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述增益介质层(6)内第二金属纳米粒子(7)的掺杂浓度为8.95×10-6g/cm3-2.61×10-3g/cm3。
5.如权利要求2所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述第一隔离介质层(3)和所述第二隔离介质层(5)分别独立选自SiO2层、LiF层、聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯层，厚度为1-100nm。
6.如权利要求1所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述金属薄膜层(2)为厚度为10-100nm的银薄膜或金薄膜。
7.如权利要求1所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述增益介质层(6)的材料包括高分子聚合物和激光染料，所述高分子聚合物与所述激光染料的质量比1～80：1。
8.如权利要求7所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述高分子聚合物为聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯；
所述激光染料为红光激光染料或蓝光激光染料，其光发射波长均在可见光范围内。
9.如权利要求1所述的一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过真空蒸镀法或磁控溅射法在衬底(1)上沉积金属薄膜，得到厚度为10-100nm的金属薄膜层(2)；
S2，将第一金属纳米粒子以自组装、旋涂或滴涂的方式沉积在所述金属薄膜层(2)上，得到厚度为1-200nm的第一金属纳米粒子层(4)；
S3，将高分子聚合物与激光染料混合后加入有机溶剂中充分溶解，并向其中掺杂第二金属纳米粒子(7)，得到混合液，将所述混合液旋涂在所述第一金属纳米粒子层(4)表面，得到厚度为0.1-3μm的增益介质层(6)。
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