CN112688156A - 一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器的制备方法，属于随机激光器技术领域。本发明采用光纤内壁自组装形式在管内壁组装金纳米颗粒，避免了以往运用纳米颗粒混杂PDMS等固化剂涂覆方式所带来的纳米颗粒与激光增益物质接触面积少、效率差的缺点。本发明所述基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光增益介质采用纤芯填充增益物质溶液作为激光增益物质的方法，改善了常见随机激光器中激光方向性差，输出功率低，阈值高等缺点。本发明制作的随机激光器的结构简单，制作方便，且具有成本低廉以及环境友好的特点。

Description

一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器及制备方法

技术领域

本发明涉及一种液芯光纤随机激光器，特别涉及一种基于金纳米颗粒的光纤随机激光器，属于随机激光器技术领域。

背景技术

近些年来，随机激光器已成为光学、凝聚态物理等领域的热门研究方向。随机激光器在激光显示、疾病诊断、信息处理、编码标记、集成光学等诸多方面均具有广泛的应用前景。

传统激光器主要包括增益介质、谐振腔和泵浦系统。谐振腔通常由两块反射镜组成，能够产生相干反馈，光在两块反射镜之间来回反射，并被放大，直到光束形成。随机激光器则无需腔镜即可工作。对于传统的激光器，在工作中应尽可能避免散射，而随机激光器则与此截然相反，它是利用光波的多重散射形成激光。所以，这种激光器的物理机制完全不同于传统的激光器，它的这种特殊发光机制使其具有一些独特的发光特性。相比于传统激光器，随机激光器是一类新颖的微腔激光器。它不需要精密设计的激光谐振腔，而是通过散射来提供光反馈，因此，随机激光器具有制备简便、成本低廉的特点。近几年来，随机激光器输出的调控问题成为随机激光研究的热点及难点。比较突出的有在随机激光中引入波导结构，将输出激光的方向限制在一定方向，同时改善了输出效率的问题，在很大程度上束缚了增益介质，为后续的研究提供了新思路。也有学者通过材料拓扑结构设计及金属表面态激发的光场增强机制等控制和优化输出。

最近的研究中，将随机包层概念引入到圆柱波导随机激光研究中的方式为随机激光在液芯光纤中的研究带来新的思路，并利用纳米金颗粒作为散射颗粒制备了随机激光增益介质进而实现随机激光输出。在该随机激光器的制备过程中，首先将混有金纳米颗粒的聚二甲基硅氧烷溶液冲洗毛细管内壁，使得毛细管内壁均匀覆盖含有金纳米颗粒的PDMS(聚二甲基硅氧烷.以下简称PDMS)，待PDMS溶液固化后，在毛细管纤芯填充罗丹明6G等激光增益物质，最后侧向泵浦液芯光纤，在光纤端面接收随机激光。但该方法制备的随机激光器由于纳米颗粒与增益物质之间混杂有PDMS，导致纳米粒子与增益物质之间接触不足，影响了最后随机激光输出效率。因此，本发明提出一种更为简单的、高效的填充纳米颗粒方法来制备光纤随机激光器，提高该随机激光器输出效率，这也正是本发明的任务所在。

发明内容：

本发明的目的正是为克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提出一种基于金纳米颗粒的随机激光器。该随机激光器具有结构简单，制作方便、成本低廉以及环境友好的特点。为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现。

本发明所述一种基于金纳米颗粒的随机激光器，包括泵浦激光器、反射镜、分束镜、柱透镜、三维光纤夹持器；按照本发明专利，还包括基于金纳米颗粒的随机激光增益介质；所述基于金纳米颗粒的随机激光增益介质由金纳米颗粒和激光增益物质组成；

所述泵浦激光器发出的泵浦光经过反射镜反射至分束镜，其中一束被功率计采集，另外一束经柱透镜聚焦到基于金纳米颗粒的随机激光增益介质上。当泵浦光辐照基于金纳米颗粒的随机激光增益介质时，随机激光增益介质中的分子吸收泵浦光能量，辐射出荧光，同时随机激光增益介质中的表面均匀分散的纳米级的金纳米颗粒提供散射和光反馈，从而获得随机激光输出.

上述方案中，所述基于金纳米颗粒的随机激光增益介质中的金纳米颗粒优选平均直径为30～100nm。

上述方案中，所述泵浦激光优选用固体激光器输出的飞秒激光。

优选地，毛细管内径为40-300μm。

优选地，金纳米颗粒水溶液浓度为0.5mg/ml.

发明原理：

本发明中的基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器，金纳米颗粒在随机激光出射过程中同时充当场增强和散射介质的作用。金纳米颗粒在毛细管内壁自组装后，对该结构而言，金纳米颗粒固定在毛细管内壁，整体结构十分稳定，分布均匀性好，有效增大了散射粒子和增益介质的接触面积，从而提高了散射几率，能够较好地提高随机激光的强度。同时均匀的金纳米颗粒分布也有效避免了荧光淬灭现象。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。

一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器的制备方法，其特征在于，液芯光纤的制备包括以下步骤：

(1)取氢氧化钠溶液，通过氮气加压方式不间断均匀冲洗毛细管内壁，时间30-60min，使得毛细管内壁被氢氧化钠溶液均匀反应腐蚀；氢氧化钠溶液质量浓度为98％，期间保持填充5μL/min流量不变；

(2)将步骤(1)清洗干净的毛细管使用氮气加压方式通入去离子水，冲洗毛细管内壁，时间5-10min，使得毛细管内壁残留氢氧化钠溶液被冲洗干净，再把处理过的毛细管置于氮气环境下冲干，去除毛细管内壁残留水分；这一步的作用是对内壁进行氨基化处理——在毛细管内壁修饰一层氨基功能团；

(3)将步骤(2)处理过的毛细管使用氮气加压方式填充APTMS，使得APTMS 均匀充满毛细管内壁，静置使得APTMS与被氢氧化钠腐蚀过的毛细管内壁充分反应；其中填充15min，静置12h；

(4)将步骤(3)处理好的毛细管使用氮气加压方式通入甲醇溶液清洗，之后烘干；

(5)将步骤(4)处理好的毛细管使用氮气加压方式通入金纳米颗粒水溶液，保持压力方式持续通入，后烘干静置24h；金纳米颗粒水溶液浓度为 0.5mg/mL，通入时间3h，流量为50μL/h；

毛细管内壁已经修饰的氨基功能团与金纳米颗粒能形成的Au-N共价键，将金纳米颗粒固定在内壁上；

(6)将步骤(5)处理好的毛细管进行填充和封装；配制12.0mg/ml的F8BT 二甲苯溶液；将配制的F8BT二甲苯溶液填进经步骤(5)处理好的光纤内壁中得到液芯光纤。

主要做法是通过高压注射泵将增益物质溶液填充进光纤，再将毛细管两端研磨和封堵。这种做法实现了填充的均匀性，还能解决填充距离和填充材料的粘度的问题。

本发明与现有技术相比，具有如下特点及有益的技术效果：

1、本发明采用光纤内壁自组装形式在管内壁组装金纳米颗粒，避免了以往运用纳米颗粒混杂PDMS等固化剂涂覆方式所带来的纳米颗粒与激光增益物质接触面积少、效率差的缺点。

2、本发明所述基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光增益介质采用纤芯填充增益物质溶液作为激光增益物质的方法，改善了常见随机激光器中激光方向性差，输出功率低，阈值高等缺点

3、本发明制作的随机激光器的结构简单，制作方便，且具有成本低廉以及环境友好的特点。

附图说明

图1是基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器的光路示意图；

图2是金纳米颗粒在毛细管内壁自组装的制备流程图；

图3是图2中基于金纳米颗粒的在毛细管内壁自组装后毛细管内壁的扫描电子显微镜图；

图4是基于金纳米颗粒光纤随机激光器的随机激光输出图。

具体实施方式：

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明所述一种基于金纳米颗粒的随机激光器，如图1所示：包括中心波长400nm的飞秒激光器、反射镜、5:5分束镜、功率计、柱透镜、光谱仪以及基于金纳米颗粒的随机激光增益介质。所述金纳米颗粒和基于金纳米颗粒的随机激光增益介质由毛细管内壁自组装金纳米颗粒后填充F8BT的二甲苯溶液组成。所述泵浦激光器发射的泵浦光经过分束镜、反射镜后到柱透镜，柱透镜将泵浦光聚焦，然后辐照基于随机激光增益介质，当泵浦光辐照基于随机激光增益介质时，随机激光增益介质中的F8BT分子吸收泵浦光能量，辐射出荧光，同时液芯光纤内壁上自组装的均匀分布的金纳米颗粒提供场增强和多重散射，从而实现液芯光纤端面的随机激光输出。

所述金纳米颗粒自组装制备流程图如图2所示。

所述金纳米颗粒在所述液芯光纤随机激光器中作为散射颗粒，F8BT二甲苯溶液作为随机激光增益介质的激光染料。

实施例1

本实例具体阐述基于金纳米颗粒的随机激光增益介质的制作方法。按照前面所述制作内壁自组装金纳米颗粒的空心光纤的方法步骤进行制作，其具体操作流程如图2所示，包括以下操作步骤：

(1)量取150μL质量浓度98％的氢氧化钠溶液于取样瓶中，加入至液体池中待用；

(2)将内径300μm，长度10cm的空芯光纤两端进行切割处理，然后用氮气将氢氧化钠溶液加压填充进光纤内壁进行腐蚀反应，时间为30min，期间保持填充5μL/min流量不变；

(3)将步骤(2)所述的光纤用去离子水加压清洗10min，流量10μL/min, 然后用氮气将光纤内壁残留水分吹干,氮气吹干时间30min；

(4)将步骤(3)所述光纤使用氮气加压方式填充APTMS 150μL，填充时间 15min，保持流量10μL/min不变，然后静置12h；

(5)将上述光纤加压填充质量浓度98％的甲醇溶液清洗30min，流量 5L/min，然后在95℃环境下烘干30min，最后氮气加压填充0.5mg/mL金纳米颗粒水溶液，填充时间3h，流量50μL/h再静置24h；

(6)配制12.0mg/ml的F8BT二甲苯溶液；

(7)将步骤(6)配制的F8BT二甲苯溶液经加压填充方式填进经步骤(5) 处理好的光纤内壁中，获得内壁自组装金纳米颗粒的液芯光纤。

实施例2

本实施例将所述基于金纳米颗粒的随机激光增益介质用于液芯光纤随机激光器的搭建。

本实施例中所述泵浦激光器选用钛宝石激光器倍频后产生的中心波长400nm的飞秒激光作为泵浦源。钛宝石激光器泵浦波长为800nm，频率为10Hz, 脉宽为120fs；所述反射镜选用400nm反射镜；所述柱透镜选用焦距为10mm 的柱透镜；所述光纤光谱仪探头选用海洋光学USB4000光谱仪，其光学分辨率为1.5nm。

按照图1所示的随机激光器的光路示意图，搭建好各元器件。

将分束镜与反射镜的取向调节为与水平方向呈45°；将柱透镜水平置于距反射之后30mm处；将制作好的基于金纳米颗粒的液芯光纤用三维位移平台进行夹持，水平置于距柱透镜10mm处；将光纤光谱仪探头置于距液芯光纤输出端面2mm处。

所述基于液芯光纤随机激光器的发射光谱如图4所示。当泵浦能量低于激光阈值时，出射光谱只表现出宽的自发辐射放大，没有出现尖锐的激光发射峰，当泵浦能量高于激光阈值时，出射光谱变窄，形成随机激光出射，如图4所示。

本发明给出的基于金纳米颗粒的液芯光纤以及随机激光器的光路搭建的实施例仅给出了具体的应用例子，但对于从事本领域的研究人员而言，还可根据以上启示设计出多种基于金纳米颗粒的随机激光增益介质以及搭建随机激光器，这仍被认为涵盖于本发明之中。

Claims (2)

1.一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器的制备方法，其特征在于，液芯光纤的制备包括以下步骤：

包括以下步骤：

(1)取氢氧化钠溶液，通过氮气加压方式不间断均匀冲洗毛细管内壁，时间30-60min，使得毛细管内壁被氢氧化钠溶液均匀反应腐蚀；氢氧化钠溶液质量浓度为98％，期间保持填充5μL/min流量不变；

(2)将步骤(1)清洗干净的毛细管使用氮气加压方式通入去离子水，冲洗毛细管内壁，时间5-10min，使得毛细管内壁残留氢氧化钠溶液被冲洗干净，再把处理过的毛细管置于氮气环境下冲干，去除毛细管内壁残留水分；这一步的作用是对内壁进行氨基化处理——在毛细管内壁修饰一层氨基功能团；

(3)将步骤(2)处理过的毛细管使用氮气加压方式填充APTMS，使得APTMS均匀充满毛细管内壁，静置使得APTMS与被氢氧化钠腐蚀过的毛细管内壁充分反应；其中填充15min，静置12h；

(4)将步骤(3)处理好的毛细管使用氮气加压方式通入甲醇溶液清洗，之后烘干；

(5)将步骤(4)处理好的毛细管使用氮气加压方式通入金纳米颗粒水溶液，保持压力方式持续通入，后烘干静置24h；金纳米颗粒水溶液浓度为0.5mg/mL，通入时间3h，流量为50μL/h；

毛细管内壁已经修饰的氨基功能团与金纳米颗粒能形成的Au-N共价键，将金纳米颗粒固定在内壁上；

(6)将步骤(5)处理好的毛细管进行填充和封装；配制12.0mg/ml的F8BT二甲苯溶液；将配制的F8BT二甲苯溶液填进经步骤(5)处理好的光纤内壁中得到液芯光纤。

2.按照如权利要求1所述的制备方法所制备的一种基于金纳米颗粒的液芯光纤随机激光器。

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