基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖領(lǐng)域，具體是一種基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光。
【背景技術(shù)】
[0002]自從Letokhov理論上提出隨機激光以來，隨機激光被廣泛的研宄。隨機激光在光顯示、傳感、小型激光和醫(yī)學診斷學方面都有應用前景。為了提高隨機激光的激光效率和控制隨機激光的方向，人們利用光纖的一維束縛作用得到高效率、低閾值以及有方向性的隨機激光，這種隨機激光被稱為光纖隨機激光。
[0003]光纖隨機激光主要分為兩種:1)基于分布式反饋機制，即使用隨機分布的布拉格光柵或通過拉曼效應和納米顆粒散射放大的瑞利散射。2)基于光纖纖芯中的納米顆粒的瑞利散射反饋機制。最近，聚合物光纖由于它的靈活性、低成本、易處理，有機材料和大數(shù)值孔徑受到了很多的關(guān)注。它們已經(jīng)被應用在各種各樣的領(lǐng)域，例如短距離光通信、光纖傳感器和照明設(shè)備。隨著聚合物光纖的發(fā)展，越來越多的有源聚合物光纖放大器和激光器被報道。之前我們通過激光染料PM597和聚倍半硅氧烷納米顆粒摻雜聚合物光纖得到一維無序聚合物光纖，通過532 nm納秒激光器端面泵浦這種一維無序聚合物光纖,得到具有穩(wěn)定相干隨機激光發(fā)射的聚合物光纖隨機激光。這種聚合物光纖隨機激光的反饋機理是光纖纖芯里面的聚倍半硅氧烷納米顆粒的多重散射，并且這種弱散射由于光纖波導的限制效應被大大加強。由于聚合物光纖隨機激光的成本低和易彎曲性，它在微納光學集成系統(tǒng)和光纖傳感器領(lǐng)域有很好的應用前景。
[0004]近年來，在納米激光器、光電子器件和生物傳感器方面，金屬納米顆粒和增益介質(zhì)之間的相互作用吸引了相當大的興趣。在隨機激光領(lǐng)域，人們利用金屬納米顆粒的表面等離子體共振降低隨機激光的閾值和調(diào)節(jié)隨機激光的發(fā)射。而基于金屬納米顆粒的表面等離子體共振的聚合物光纖隨機激光一直沒有人研究。金屬納米的表面等離子體共振可以增強隨機激光的激光效率和降低隨機激光閾值，聚合物光纖隨機激光可以提高隨機激光的方向性，兩者結(jié)合可以優(yōu)化隨機激光的性質(zhì)，得到低閾值，高激光效率及有-一定方向性的隨機激光。
[0005]
【發(fā)明內(nèi)容】
本發(fā)明的目的是提供一種基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:
基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，包括纖芯及包敷在纖芯外的包層，其特征在于:所述纖芯為金屬納米顆粒、染料摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯的共聚物，所述包層為甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物。
[0007]所述的基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，其光纖纖芯特征在于:整個光纖激光器中，甲基丙烯酸甲酯的重量分數(shù)為70%-85%，甲基丙烯酸芐酯的重量分數(shù)為15%-30%,染料的重量分數(shù)為0.1%-0.4%，金屬納米顆粒的重量分數(shù)為0.01%-0.1%。
[0008]所述的基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，其特征在于:制備方法如下:首先利用Teflon法，將甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纖預制棒,再把構(gòu)成纖芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸芐酯、金屬納米顆粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纖預制棒中，熱固化之后得到不同含量金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒，金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒在拉絲塔下被拉制成基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光器。
[0009]本發(fā)明結(jié)合光纖波導對隨機激光的一維束縛作用和金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振對熒光增強效應兩者優(yōu)勢，利用Teflon法制作纖芯含金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒，再利用拉絲機拉制成金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖。
[0010]本發(fā)明的優(yōu)點是基于金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振效應可以得到閾值更低的聚合物光纖隨機激光，同時由于金屬納米顆粒固定在聚合物光纖里面，隨機激光發(fā)射波長大部分可以穩(wěn)定下來，隨機激光的頻率由聚合物光纖的中心里的固定的振蕩腔所決定的。所以能夠得到穩(wěn)定的基于局域表面等離子體共振效應的相干聚合物光纖隨機激光發(fā)射，這將推動隨機激光的發(fā)展。
[0011]當栗浦能量不斷變化時，聚合物光纖纖芯里存在一個固定的振蕩隨機腔，這也說明了能夠得到基于等離子體相干聚合物光纖隨機激光器的穩(wěn)定頻率隨機激光。
【附圖說明】
[0012]圖1是與本發(fā)明實施例一致的制作金屬納米顆粒摻雜聚合物光纖的示意圖。
[0013]圖2a是與本發(fā)明實施例一致的金屬納米顆粒摻雜聚合物光纖橫截面的顯微鏡照片，圖2b是熒光顯微鏡照片。
[0014]圖3是與本發(fā)明實施例一致的金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖隨機激光實驗略圖。
[0015]圖4是與本發(fā)明實施例一致的隨機激光光譜圖。
【具體實施方式】
[0016]基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，包括纖芯及包敷在纖芯外的包層，纖芯為金屬納米顆粒、染料摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯的共聚物，所述包層為甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物。
[0017]整個光纖激光器中，纖芯材料中，甲基丙烯酸甲酯的重量分數(shù)為70%_85%，甲基丙烯酸芐酯的重量分數(shù)為15%-30%，染料的重量分數(shù)為0.P/0-0.4%,金屬納米顆粒的重量分數(shù)為 0.01%-0.1%。
[0018]制備方法如下:首先利用Teflon法，將甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纖預制棒，再把構(gòu)成纖芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸芐酯、金屬納米顆粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纖預制棒中，熱固化之后得到不同含量金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒，金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒在拉絲塔下被拉制成基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光器。
[0019]本發(fā)明首先制作疏水性金屬納米顆粒，利用Teflon法制作金屬納米顆粒摻雜聚合物光纖,把金屬納米顆粒固定在聚合物光纖纖芯中。利用金屬納米顆粒的多重散射得到隨機激光發(fā)射，同時利用金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振效應得到閾值更低的有方向性的聚合物光纖隨機激光。
[0020]制作油溶性金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖制作過程見圖1。
[0021]第一步:使用Teflon法制備聚合物光纖空芯預制棒。把精制過后的一定比例的甲基丙條酸甲酷(66.7 wt%-88.9 wt.%)和丙條酸丁酷(11.1 wt%-33.3 wt.%)、引發(fā)劑過氧化二月桂酰(0.1 wt%-0.5 wt%)及鏈轉(zhuǎn)移劑正丁硫醇(0.1 wt%-0.3 wt%)攪拌均勾灌入Teflon管中，中間用Teflon繩牽引出來并固定在模具中,密封后放入加熱箱中，通過以下加熱程序熱固化:30-50 °C，每24 h升溫5 0C ;50-90 °C，24 h升溫10 0C0單體熱聚合后，抽出Teflon繩得到空芯的聚合物光纖預制棒。
[0022]第二步:金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖預制棒的制備。將油溶性金屬納米顆粒(0.01 wt%-0.1 wt%)、激光染料分子(0.1 wt%-0.4% wt%)、一定比例的芯層單體甲基丙烯酸甲酯(70 wt%-85 wt%)和甲基丙烯酸節(jié)酉旨(15 wt.%-30 wt%)、引發(fā)劑過氧化二月桂酰(0.1wt%-0.5 wt%)及鏈轉(zhuǎn)移劑正丁硫醇(0.1 wt%-0.3 wt%)攪拌均勾注入空芯的聚合物光纖預制棒的空芯中，避免產(chǎn)生氣泡，密封后，采用同樣的加熱程序，芯層單體聚合后，得到金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖預制棒。
[0023]第三步:將金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖預制棒放入拉絲機中進行拉絲，加熱爐的溫度升到190 ° C，通過控制預制棒的送料速度和光纖拉絲速度來控制光纖的直徑。
[0024]圖2是拉制出來的金屬納米顆粒摻雜的聚合物光纖的橫截面圖。
[0025]圖3是測試這種基于金屬納米顆粒局域表面等離子體共振效應的聚合物光纖隨機激光的示意圖。利用Nd: YAG激光器(532 nm, 16 ns, 1Hz)作為泵浦光源泵浦樣品，使用格蘭鏡組(Glan-Prism Group)調(diào)節(jié)泉浦光的強度，使用透鏡(Convex Len)把泉浦光牽禹合到聚合物光纖樣品中，使用光纖光譜儀(QE65000, Ocean Optics,分辨率?0.4 nm，積分時間100 ms)接受聚合物光纖樣品發(fā)出的隨機激光。
[0026]圖4是金屬納米顆粒摻雜聚合物光纖隨機激光的發(fā)射光譜圖。當泵浦能量超過閾值時，我們看到尖銳的激光峰出現(xiàn)在自發(fā)輻射包絡(luò)上。
【主權(quán)項】
1.基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，包括纖芯及包敷在纖芯外的包層，其特征在于:所述纖芯為金屬納米顆粒、染料摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯的共聚物，所述包層為甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，其特征在于:整個光纖激光器纖芯中，甲基丙烯酸甲酯的重量分數(shù)為70%-85%，甲基丙烯酸芐酯的重量分數(shù)為15%-30%，染料的重量分數(shù)為0.1%-0.4%,金屬納米顆粒的重量分數(shù)為0.01%-0.1%，包層中構(gòu)成包層的共聚物中甲基丙烯酸甲酯單體重量分數(shù)為66.7%-88.9%，丙烯酸丁酯重量分數(shù)為11.1%-33.3%。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，其特征在于:制備方法如下:首先利用Teflon法，將甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物光纖預制棒，再把構(gòu)成纖芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸芐酯、金屬納米顆粒、染料按各自重量百分比注入到空芯聚合物光纖預制棒中，熱固化之后得到不同含量金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒，金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒在拉絲塔下被拉制成基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光器。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于金屬納米顆粒散射的聚合物光纖隨機激光，由金屬納米顆粒、染料摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯的共聚物構(gòu)成的纖芯，以及甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物構(gòu)成的包層構(gòu)成。本發(fā)明基于局域表面等離子體共振效應增強熒光發(fā)射，從而得到閾值更低的聚合物光纖隨機激光；金屬納米顆粒被固定在聚合物光纖中，聚合物光纖隨機激光的發(fā)射波長能穩(wěn)定下。利用Teflon法先制作空芯聚合物光纖預制棒，再把芯層單體、不同尺寸的金納米顆粒、染料分子注入到空芯中，熱固化之后得到不同尺寸金屬納米顆粒摻雜的增益聚合物光纖預制棒。
【IPC分類】H01S3/067, H01S3/10, H01S3/16
【公開號】CN104953449
【申請?zhí)枴緾N201510181522
【發(fā)明人】胡志家, 梁云云, 謝康, 姜海明, 高朋飛, 鄭嘉麒
【申請人】合肥工業(yè)大學
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年4月16日