CN113328325B - 一种柔性聚合物随机激光器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种柔性聚合物随机激光器及其制备方法，属于激光器技术领域。激光器包括柔性聚合物基底、置于所述柔性聚合物基底上的金纳米方块阵列层、以及置于所述金纳米方块阵列层上的PMMA/染料膜；所述的金纳米方块阵列层是通过将金纳米薄膜进行横、纵向拉伸得到的具有均匀裂纹的结构。该制备方法利用了金纳米方块阵列的强烈的散射特性和表面等离子共振(SPR)效应，从而提高PMMA/染料聚合物膜层/金纳米方块阵列层/柔性聚合物基底层结构的光增益。该激光器采用柔性基底，工艺简单，有源波导对光放大的辐射进行了约束，可提高光子散射的平均自由程；有源层/金纳米方块层的界面提供了反馈机制。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种柔性聚合物随机激光器及其制备方法。
背景技术
利用随机介质受激辐射构成的激光器称为随机激光器，随机激光具有不同于传统激光的优良特性和潜在的应用价值。
1999年，Cao等人用强度达到某个值(阈值)的泵浦光正入射到ZnO薄膜上，观测到了随机激光现象。有机染料溶液或掺在聚合物薄片里通常作为一种有源介质用来观察激光辐射和光谱的窄化效果，含散射颗粒的染料溶液或聚合物薄片被广泛应用在随机激光现象的观察和研究上。
图案化的金纳米薄膜由于其强烈的散射特性和SPR效应可提高随机激光器的光增益，降低随机激光器的阈值。本发明提出通过简易的聚合物颈缩工艺实现丰富的金纳米方块阵列，同时利用金纳米方块阵列的散射及SPR效应制备低阈值的PMMA/染料—金纳米方块—PEI结构的柔性聚合物随机激光器。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种柔性聚合物随机激光器及其制备方法，利用了金纳米方块阵列强烈的散射特性和表面等离子共振(SPR)效应，成功制备出低阈值(～μJ)的柔性聚合物随机激光器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性聚合物随机激光器，包括柔性聚合物基底、置于所述柔性聚合物基底上的金纳米方块阵列层、以及置于所述金纳米方块阵列层上的PMMA/染料膜；
所述的金纳米方块阵列层是通过将金纳米薄膜进行横、纵向拉伸得到的具有均匀裂纹的结构。
优选的，所述的PMMA/染料膜是由PMMA与若丹明R6G混合后得到的聚合物膜层。
优选的，所述的柔性聚合物基底为PEI膜。
上述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，包括以下步骤：
步骤一：利用电子束蒸发器在厚度为100-150μm、表面光滑的PEI膜上沉积金纳米薄膜；
步骤二：利用旋涂的方法将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与若丹明R6G混合溶液旋涂到金纳米薄膜上；
步骤三：采用聚合物颈缩工艺将金纳米薄膜沿着某一方向拉伸，使其断裂形成均匀的条状金纳米薄膜；
步骤四：延垂直于步骤三的方向再次拉伸条状金纳米薄膜，使其断裂形成均匀的块状金纳米薄膜。
优选的，步骤一中沉积金纳米薄膜的温度为25-60℃，沉积速率为
优选的，步骤一中沉积得到的金纳米薄膜厚度为20-100nm。
优选的，步骤二以1000-1500rpm的转速旋转30-60s，将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与若丹明R6G均匀混合涂覆在金纳米薄膜上，所述若丹明R6G的浓度范围为1×10-4～1×10- 8mol/L。
优选的，步骤三采用聚合物颈缩工艺将金纳米薄膜沿着某一方向拉伸，拉力为40-60MPa，拉伸速度0.01～0.05mm/s，使其断裂形成均匀的条状金纳米薄膜，宽度1-10μm。
优选的，拉伸得到的条状或块状金纳米薄膜尺寸可控，界面剪切强度τc与拉伸金纳米薄膜断裂带宽度的关系满足公式：
其中，τc为界面剪切强度，为金纳米薄膜拉伸断裂带宽度，E2D为刚度，Γ为断裂韧性，h为膜厚度。
优选的，沉积金纳米薄膜结束后在130～160℃下干燥20-40min。
本发明具备的有益效果是：
本发明利用金纳米方块阵列增强了光的散射，边界及尖端可增强表面等离子共振(SPR)效应，从而提高PMMA/染料聚合物膜层/金纳米方块阵列层/柔性聚合物基底层结构的光增益。此结构体系具有以下优势：<1>工艺简单、柔性基底；<2>有源波导对光放大的辐射进行了约束，可提高光子散射的平均自由程；<3>有源层/金纳米方块层的界面提供了反馈机制。
附图说明
图1是本发明的实施例的柔性聚合物随机激光器的示意图；
图2是本发明实施例在PEI基底上进行的将金纳米薄膜拉伸成宽度一致的条状金纳米薄膜的过程示意图；
图3是本实施例中的柔性聚合物随机激光器的实验图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
本发明提出了一种柔性聚合物随机激光器结构，如图1所示，包括柔性聚合物基底10、置于所述柔性聚合物基底上的金纳米方块阵列层20、以及置于所述金纳米方块阵列层上的PMMA/染料膜30；
所述的金纳米方块阵列层是通过将金纳米薄膜进行横、纵向拉伸得到的具有均匀裂纹的结构。
所述的PMMA/染料膜是由PMMA与若丹明R6G混合后得到的聚合物膜层。
所述的柔性聚合物基底为PEI膜。
实施例1
利用电子束蒸发器在厚度为125μm、表面光滑的PEI膜上沉积的金纳米薄膜。镀膜过程中真空室的温度保持在60℃以下，以防止PC膜因内部应力而产生热膨胀或变形，从而导致金膜产生缺陷或皱纹。金纳米薄膜的厚度为50nm，沉积速率为
沉积金纳米薄膜结束后在160℃下干燥20min，PEI和金纳米薄膜之间的结合更为牢固均匀，可以使金纳米薄膜的断裂更加均匀。
以1000rpm的转速旋转60s，将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与浓度为1×10-4的若丹明R6G均匀混合涂覆在金纳米薄膜上。
用拉伸装置在将金纳米薄膜沿着某一方向拉伸，拉力约50MPa，拉伸速度0.02mm/s，使其断裂形成均匀的条状金纳米薄膜，宽度为1μm；由于PEI薄膜中的颈部沿薄膜长度传播，在整个薄膜上形成均匀的金色条纹，沿着该方向拉伸时，PEI膜经过一个颈缩过程，并通过表面粘附力对金纳米薄膜施加应力，拉伸示意图如图2所示。
接着沿垂直于上述方向再次拉伸条状金纳米薄膜，以产生二维的微/纳米表面图案，使其断裂形成均匀的块状金纳米薄膜，在应变诱发的内应力作用下，纳米金条会发生均匀伸长，进一步破碎成小块，尺寸约为1μm×1μm。
对上述制备得到的随机激光器进行测试，得到如图3所示的测试曲线，其中横坐标表示波长，纵坐标表示强度，三条曲线由上到下依次对应不同浓度的R6G，分别为1×10-4，1×10-5和1×10-6不同的激光功率，从测试结果可以看出，本发明获得了基于柔性聚合物结构的激光器。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性聚合物随机激光器，其特征在于，包括柔性聚合物基底、置于所述柔性聚合物基底上的金纳米方块阵列层、以及置于所述金纳米方块阵列层上的PMMA/染料膜；
所述的金纳米方块阵列层是通过将金纳米薄膜进行横、纵向拉伸得到的具有均匀裂纹的结构，拉伸过程中金纳米薄膜断裂形成均匀的条状金纳米薄膜，宽度1 -10μm。
2.根据权利要求1所述的柔性聚合物随机激光器，其特征在于，所述的PMMA/染料膜是由PMMA与若丹明R6G混合后得到的聚合物膜层。
3.根据权利要求1所述的柔性聚合物随机激光器，其特征在于，所述的柔性聚合物基底为PEI膜。
4.一种权利要求3所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：利用电子束蒸发器在厚度为100-150μm、表面光滑的PEI膜上沉积金纳米薄膜；
步骤二：利用旋涂的方法将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与若丹明R6G混合溶液旋涂到金纳米薄膜上；
步骤三：采用聚合物颈缩工艺将金纳米薄膜沿着某一方向拉伸，使其断裂形成均匀的条状金纳米薄膜；
步骤四：延垂直于步骤三的方向再次拉伸条状金纳米薄膜，使其断裂形成均匀的块状金纳米薄膜。
5. 根据权利要求4所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，步骤一中沉积金纳米薄膜的温度为25-60℃，沉积速率为0.2-0.8 Å/s。
6.根据权利要求4所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，步骤一中沉积得到的金纳米薄膜厚度为20-100nm。
7. 根据权利要求4所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，步骤二以1000-1500 rpm的转速旋转30-60 s，将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA与若丹明R6G均匀混合涂覆在金纳米薄膜上，所述若丹明R6G的浓度范围为1×10-4~1×10-8mol/L。
8. 根据权利要求4所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，步骤三采用聚合物颈缩工艺将金纳米薄膜沿着某一方向拉伸，拉力为40-60MPa，拉伸速度0.01~0.05mm/s，使其断裂形成均匀的条状金纳米薄膜，宽度1 -10μm。
9.根据权利要求8所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，拉伸得到的条状或块状金纳米薄膜尺寸可控，界面剪切强度τc与拉伸金纳米薄膜断裂带宽度的关系满足公式：/>；
其中，τc为界面剪切强度，为金纳米薄膜拉伸断裂带宽度，E2D为刚度，Γ为断裂韧性，h为膜厚度。
10.根据权利要求4所述的柔性聚合物随机激光器的制备方法，其特征在于，沉积金纳米薄膜结束后在130~160℃下干燥20-40min。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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