CN112803230B

CN112803230B - 一种柔性可调谐生物仿生随机激光器

Info

Publication number: CN112803230B
Application number: CN201911115713.1A
Authority: CN
Inventors: 李学杨; 郭敬为; 贾雨熹; 杨镇; 陈莹
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2022-01-28
Anticipated expiration: 2039-11-14
Also published as: CN112803230A

Abstract

本发明提供一种柔性可调谐生物仿生随机激光器，包括激发光光源、透镜组、衬底、盖片、增益介质；其中，衬底为从植物叶片表面复制的、有乳突状微纳结构的柔性透明衬底，所述盖片与所述衬底采用相同成分材料；所述增益介质设置在衬底和盖片之间的夹层中；所述激发光光源发出的泵浦光经透镜组形成线型泵浦光，泵浦光照射到填充有增益介质的夹层中产生随机激光，所述随机激光沿线型泵浦光方向发射。本发明利用植物叶片表面分布的乳突状微纳结构，通过纳米压印的方式，将其复制到柔性透明衬底上面,使得衬底表面的乳突状结构对随机激光的产生提供多重散射，通过改变泵浦的位置，以及弯曲随机激光器成不同的状态，实现不同波长的激光输出。

Description

一种柔性可调谐生物仿生随机激光器

技术领域

本发明属于激光器领域，具体涉及一种柔性可调谐生物仿生随机激光器。

背景技术

随机激光器作为一种新兴激光器，在生物标记、医学成像、照明、辨识、传感等方面都具有巨大的应用潜力，并且其制备简单，造价低廉，适应性强。基于生物组织的随机激光器以其原料简单易得，且具有较好的生物相容性等优点，具有巨大的应用价值，得到了普遍的关注。

关于直接利用动物和植物组织制备随机激光器的报道比较普遍，但未见到利用生物仿生的手段制备随机激光器的相关报道。直接利用生物组织制备随机激光器，由于材料柔性较差，寿命较短，调谐性较为单一，导致其工作性能不佳。因此利用生物仿生的手段设计制备柔性可调谐的随机激光器具有重要意义。

发明内容

根据上述提出现有随机激光器材料柔性较差，寿命较短，调谐性较为单一的技术问题，而提供一种高效的柔性可调谐生物仿生随机激光发生装置。本发明利用纳米压印的手段复制具有微纳结构的柔性透明衬底，并在衬底和盖片之间加注增益介质，用激光泵浦增益介质，增益介质产生的发射光经过衬底表面的乳突状微纳结构的多重散射得到放大，使得增益介质的发射光得到增强，线宽得到压窄，实现随机激光的输出。

本发明采用的技术手段如下：

一种柔性可调谐生物仿生随机激光器，包括激发光光源、透镜组、衬底、盖片、增益介质；其中，衬底为从植物叶片表面复制的、有乳突状微纳结构的柔性透明衬底，所述盖片与所述衬底采用相同成分材料；所述增益介质设置在衬底和盖片之间的密封夹层中；所述激发光光源发出的泵浦光经透镜组形成线型泵浦光，泵浦光照射到填充有增益介质的夹层中产生随机激光，所述随机激光沿线型泵浦光方向发射。

进一步地，所述衬底通过纳米压印的方式获得，其对波长为300-700nm光的透过率为90％以上。

进一步地，所述植物叶片为荷叶、甘蓝叶或山芋叶。

进一步地，所述衬底和盖片的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯酸脂、聚苯乙烯其中一种或两种以上。

进一步地，所述增益介质为染料Exalite411、Exalite417、Stilbene 420、Courmarin 540A、Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM以及量子点溶液其中一种或两种以上。

进一步地，所述染料溶液的溶剂为水、乙醇、乙二醇、氯仿、甲苯、二甲基亚砜中的一种或者两种以上。

进一步地，所述增益介质为染料Exalite 411、Exalite 417、Stilbene 420、Courmarin 540A的溶液以及蓝光和绿光量子点溶液时，采用355nm的紫外光为激发光光源；所述增益介质为染料Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM的溶液以及红光量子点溶液时，采用532nm绿光为激发光光源。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明设计了一种高效的柔性可调谐生物仿生随机激光发生装置，在衬底和盖片组成的密封夹层中注射增益介质溶液，用激光泵浦增益介质，增益介质产生的发射光经过衬底表面的微纳结构的多重散射得到放大，使得增益介质的发射光得到增强，线宽得到压窄，实现随机激光的输出。并且通过改变泵浦的位置，以及弯曲随机激光器成不同的状态，实现不同波长的激光输出。

本发明采用Exalite 411、Exalite 417、Stilbene 420、Courmarin 540A染料以及蓝光和绿光量子点溶液作为增益介质，采用355nm的紫外光泵浦，从而得到蓝光和绿光随机激光输出。采用Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM染料以及红光量子点溶液时，采用532nm绿光泵浦，从而得到红光随机激光输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明衬底制作流程示意图。

图中：1激发光束；2、柱面凹透镜；3、柱面凹透镜；4、泵浦光束；5、盖片；6、衬底。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实验发现，部分植物叶片表面分布着微米级的腊质乳突，并且每个腊质乳突上又包含着纳米级的分层，正是这些微纳结构，对植物叶片的超疏水特性具有重要的意义。随机激光的产生的重要因素是多重散射，之前有报道直接利用荷叶表面的乳突状腊质微纳结构提供多重散射，从而产生随机激光。

鉴于上述研发背景，如图1所示，本发明提供了一种柔性可调谐生物仿生随机激光器，包括激发光光源、透镜组、衬底、盖片、增益介质；其中，衬底为从植物叶片表面复制的、有乳突状微纳结构的柔性透明衬底，所述盖片与所述衬底采用相同成分材料；所述增益介质设置在衬底和盖片之间的密封夹层中；所述激发光光源发出的泵浦光经透镜组形成线型泵浦光，泵浦光照射到填充有增益介质的夹层中产生随机激光，所述随机激光沿线型泵浦光方向发射。

所述衬底为通过纳米压印的方式从植物叶片表面复制有乳突状微纳结构的柔性透明衬底，所述盖片为和衬底有相同成分的柔性透明盖片。衬底和盖片对波长为300-700nm光的透过率为90％以上。上述植物叶片为荷叶、甘蓝叶或山芋叶。此外上述衬底和盖片的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯酸脂、聚苯乙烯其中一种或两种以上。

进一步地，所述增益介质为染料Exalite411、Exalite417、Stilbene 420、Courmarin 540A、Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM以及量子点溶液其中一种或两种以上。上述染料溶液的溶剂为水、乙醇、乙二醇、氯仿、甲苯、二甲基亚砜中的一种或者两种以上。

进一步地，根据增益介质种类的不同选用相适应波长的激发光光源。所述增益介质为染料Exalite 411、Exalite 417、Stilbene 420、Courmarin 540A的溶液以及蓝光和绿光量子点溶液时，采用355nm的紫外光为激发光光源；所述增益介质为染料Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM的溶液以及红光量子点溶液时，采用532nm绿光为激发光光源。

下面通过具体的实施例，对本发明的方案进行进一步说明，本发明实施例的所有染料均购自芷云光电(上海)有限公司。

实施例1

为制备蓝光柔性可调谐生物仿生随机激光器，得到蓝光随机激光输出，本实施例中使用蓝光染料Exalite417的氯仿溶液为增益介质。选择355nm紫外光作为泵浦光。Exalite417染料在355nm的紫外光激发下的发光波长为413-422nm，完全处于蓝光波段，并且具有18％的高量子产率。355nm泵浦光可以通过Nd：YAG产生的1064nm的红外光经过倍频晶体三倍频之后产生。选择氯仿作为染料的溶剂，选用聚二甲基硅氧烷作为胶体制备衬底和盖片，选用新鲜荷叶作为原始衬底提供乳突状微纳结构，选用圆底培养皿作为容器。所述盖片和衬底对波长在300-700nm之间的发射光的透过率在90％以上。

如图2所示，将荷叶裁剪成培养皿底面大小，粘在培养皿底部。取聚二甲基硅氧烷(PDMS)的B组分和A组分适量，以10:1的比例充分搅拌混合后倒入粘有荷叶的培养皿，形成2mm左右厚度的液层，在室温中静置固化24h，从培养皿中取出，撕去胶板表面的荷叶，得到荷叶负板。采用表面镀银并结合蒸涂三甲基氯硅烷(TMCS)的方式对荷叶负板进行防黏处理。之后将防黏处理过的荷叶负板置于培养皿底部，再在上面倒入以10:1的比例充分搅拌混合后的PDMS混合液。与此同时，在另一个培养皿中倒入等量的PDMS混合液，二者同时固化。之后将在负板上面固化后的PDMS胶板撕下，作为衬底，将在培养皿中直接固化的PDMS胶板作为盖片。将盖片平放在衬底之上，边缘对齐，再在二者接触面的周边滴加PDMS混合液一圈，在室温下固化，得到了密封的三明治状的随机激光器谐振腔。将0.0831g Exalite417激光染料溶解在20ml氯仿溶剂当中，用注射器吸取1ml的染料溶液，注入到随机激光器谐振腔中，制备成蓝光柔性可调谐生物仿生随机激光器。

蓝光随机激光器具体工作时，355nm泵浦光经过柱面凹透镜横向拉伸和柱面凸透镜纵向压缩之后，形成了长2cm，宽1mm左右的线型激光束。泵浦光垂直于随机激光器盖片射入，激发Exalite417染料产生放大自发辐射，发射光经过衬底表面的乳突状微纳结构和盖片的多重散射得到放大，最终沿着线型泵浦光的方向出射随机激光。

通过移动泵浦的位置，以及弯曲随机激光器，可以得到不同波长的随机激光输出。

实施例2

在其他工作条件不变的情况下，用染料Courmarin 540A的乙醇溶液代替染料Exalite 417的氯仿溶液，制备成绿光柔性可调谐生物仿生随机激光器。

实施例3

在其他工作条件不变的情况下，用染料DCJTB的乙醇溶液代替染料Exalite 417的氯仿溶液，用532nm激发光泵浦，制备成红光柔性可调谐生物仿生随机激光器。

实施例4

在其他工作条件不变的情况下，将具有红、绿、蓝三种发光颜色的胶体量子点溶解于甲苯溶剂中，用355nm激发光泵浦，制备成白光柔性可调谐生物仿生随机激光器。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种柔性可调谐生物仿生随机激光器，其特征在于，包括激发光光源、透镜组、衬底、盖片、增益介质；其中，衬底为从植物叶片表面复制的、有乳突状微纳结构的柔性透明衬底，所述盖片与所述衬底采用相同成分材料；所述增益介质设置在衬底和盖片之间的密封夹层中；

所述激发光光源发出的泵浦光经透镜组形成线型泵浦光，泵浦光照射到填充有增益介质的夹层中产生随机激光，所述随机激光沿线型泵浦光方向发射。

2.根据权利要求1所述的随机激光器，其特征在于，所述衬底通过纳米压印的方式获得，其对波长为300-700nm光的透过率为90％以上。

3.根据权利要求1所述的随机激光器，其特征在于，所述植物叶片为荷叶、甘蓝叶或山芋叶。

4.根据权利要求2所述的随机激光器，其特征在于，所述衬底和盖片的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲脂、聚丙烯酸脂、聚苯乙烯其中一种或两种以上。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的随机激光器，其特征在于，所述增益介质为染料Exalite411、Exalite417、Stilbene 420、Courmarin 540A以及蓝光和绿光量子点溶液其中一种或两种以上，此时采用355nm的紫外光为激发光光源；

或者所述增益介质为染料为Rhodamine 6G、Rhodamine B、Rhodamine 640、DCJTB、DCM以及红光量子点溶液其中一种或两种以上，此时采用532nm绿光为激发光光源。

6.根据权利要求5所述的随机激光器，其特征在于，染料溶液的溶剂为水、乙醇、乙二醇、氯仿、甲苯、二甲基亚砜中的一种或者两种以上。