基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器的制作方法

本發明涉及光纖隨機激光器領域，具體是一種基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器。

背景技術：

在最近幾年的研究中無序和非周期性光子成為一個研究熱點。科學家們研究如何駕馭不規則且對光有強烈隨機散射的無序介質。在隨機材料中光擴散是一個普遍的物理現象。最近，研究者們發現光波在隨機材料傳輸過程中蘊含著許多豐富有趣的物理學現象。光在無序結構中傳輸會發生多重散射而不會損失它的光波特征，同時光波在散射過程中和散射之后都能發生干涉效應。又因為光散射是彈性散射，所以光學信息不會損失掉。另外由于互易性，原則上光的散射完全是可逆的。這些特點導致光在無序介質中傳輸產生一系列有趣的物理效應，同時在無序光子學方面將會有巨大的應用潛力，例如如果光通過無序散射介質，例如生物組織，并且能成像出來的話，將在生物醫學上有很大的進步，同時將對醫學成像，光遺傳學，及動態光療產生巨大的影響。

隨機激光是一種非傳統類型的激光，不需要傳統激光器所需要的反射鏡構成的諧振腔，它只依賴增益介質和無序散射介質獲得反饋和光。研究者對于隨機激光的特殊性質產生了濃厚的興趣。研究者發現可以在許多體系中得到隨機激光，例如增益介質和納米顆粒的懸浮液，含銀納米粒子的聚合物薄膜，金屬納米粒子，π-共軛聚合物和滲透的蛋白石系統。然而，傳統的無方向性特征的隨機激光系統已經在很大程度上限制了它們的應用。作為一種新型的激光器，隨機激光的高閾值和無方向性阻礙其發展。為了解決這兩個難題，人們嘗試利用一維和二維結構束縛隨機激光從而得到具有低閾值和一定方向性的隨機激光發射。聚合物光纖由于他們柔性好、易于處理、經濟及較大的數值孔徑等特點受到越來越多的受到關注。聚合物光纖被廣泛應用于各種領域，例如短距離光通信、光纖傳感器及照明裝置。隨著無序聚合物光纖的發展，越來越多的工作集中在聚合物光纖放大器和聚合物光纖隨機激光器領域。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，以解決現有技術存在的問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：

基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，包括纖芯和包層，其特征在于：所述纖芯材料為納米顆粒、引發劑過氧化二月桂酰、增益介質摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯共聚物，所述包層材料為甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物。

所述的基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，其特征在于：所述纖芯中，摻雜的納米顆粒為二氧化硅、二氧化鈦、硫化鎘量子點、poss納米顆粒中的任意一種。

所述的基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，其特征在于：所述纖芯中，摻雜的增益介質為pm597、pm567、羅丹明6g中的任意一種。

所述的基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，其特征在于：構成包層的共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的質量為構成包層的共聚物總質量的10%-70%，丙烯酸丁酯的質量為構成包層的共聚物總質量的30%-90%。

所述的基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，其特征在于：整個光纖激光器中，甲基丙烯酸甲酯的質量分數為0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸芐酯的質量分數為0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的質量分數為17wt.%-21wt.%，摻雜的增益介質的質量分數為0.1wt.%-0.4wt.%，過氧化二月桂酰的質量分數為0.5wt.%-1.5wt.%，摻雜的納米顆粒的質量分數為0.01wt.%-0.1wt.%。

所述的基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，其特征在于：制備過程包括以下步驟：

（1）、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預制棒作為包層；

（2）、將構成纖芯的甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸芐酯、納米顆粒、引發劑過氧化二月桂酰、增益介質按各自重量百分比注入到步驟（1）得到的空芯聚合物預制棒中；

（3）、將步驟（2）得到的預制棒熱固化，熱固化之后得到不同含量納米顆粒摻雜的增益無序聚合物光纖預制棒；

（4）、將納米顆粒摻雜的增益無序聚合物光纖預制棒在拉絲塔下拉制，制得基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器。

本發明的優點是基于一種基于納米散射穩定的相干無序聚合物光纖隨機激光，納米顆粒在聚合過程中在聚合物光纖纖芯里面原位自組裝形成。這種聚合物光纖隨機激光的閾值進一步被降低。同時如果更換纖芯里面的激光增益介質的種類，能控制聚合物光纖隨機激光的發射波長。由于這種聚合物光纖隨機激光有低閾值和有方向性的特點有望應用于光纖傳感和光電集成系統，同時聚合物光纖隨機激光器由于低成本和彎曲性好的特點可以有應用于微納光學集成系統的前景。

附圖說明

圖1為本發明制備方法原理過程圖。

圖2是纖芯poss納米顆粒的電鏡圖。

圖3是染料分子摻雜含有poss納米顆粒的無序聚合物光纖在不同能量泵浦下的發射譜變化圖。

具體實施方式

基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，包括纖芯和包層，纖芯材料為納米顆粒、引發劑過氧化二月桂酰、增益介質摻雜的甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸芐酯共聚物，所述包層材料為甲基丙烯酸甲酯與丙烯酸丁酯的共聚物。

纖芯中，摻雜的納米顆粒為二氧化硅、二氧化鈦、硫化鎘量子點、poss納米顆粒中的任意一種。

纖芯中，摻雜的增益介質為pm597、pm567、羅丹明6g中的任意一種。

構成包層的共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的質量為構成包層的共聚物總質量的10%-70%，丙烯酸丁酯的質量為構成包層的共聚物總質量的30%-90%。

整個光纖激光器中，甲基丙烯酸甲酯的質量分數為0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸芐酯的質量分數為0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的質量分數為17wt.%-21wt.%，摻雜的增益介質的質量分數為0.1wt.%-0.4wt.%，引發劑過氧化二月桂酰的質量分數為0.5wt.%-1.5wt.%，摻雜的納米顆粒的質量分數為0.01wt.%-0.1wt.%。

如圖1所示，基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器制備過程包括以下步驟：

第一步：使用teflon法制備聚合物空芯預制棒。把精制過后的一定比例的甲基丙烯酸甲酯（66.7wt.%-88.9wt.%）和丙烯酸丁酯（11.1wt.%-33.3wt.%）、引發劑過氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及鏈轉移劑正丁硫醇（0.1wt.%-0.3wt.%）攪拌均勻灌入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：30-50oc，每24h升溫5oc；50-90oc，24h升溫10oc。單體熱聚合后，抽出teflon繩得到空芯的聚合物預制棒。

第二步：激光增益介質摻雜納米顆粒的聚合物光纖制作。將聚倍半硅氧烷（poss）納米顆粒（0.01wt.%-0.1wt.%）、激光增益介質分子（0.1wt.%-0.4%wt.%）、一定比例的芯層單體甲基丙烯酸甲酯（7wt.%-85wt.%）和甲基丙烯酸芐酯（15wt.%-30wt.%）、引發劑過氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及鏈轉移劑正丁硫醇（0.1wt.%-0.3wt.%）攪拌均勻注入空芯的聚合物預制棒的空芯中，避免產生氣泡，密封后，采用同樣的加熱程序，芯層單體聚合后，得到納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖預制棒。

第三步：將poss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190oc，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。

如圖2所示，室溫下用透射電子顯微鏡觀察無序聚合物光纖截面可獲得poss納米顆粒在聚合物光纖中的分布圖。poss納米顆粒平均直徑為150nm，這是由于在分子聚合作用下,poss分子間相互吸引聚合形成的。有機聚合物分子鏈之間的相互作用使得poss納米顆粒在無序聚合物光纖纖芯中完美分散。

如圖3是染料分子摻雜含有poss納米顆粒的無序聚合物光纖在不同泵浦能量下的發射譜變化圖。在25μj的低泵浦能量下，可看到中心波長約為577.0nm的自發輻射光譜，半峰寬約為11.7nm。當泵浦能量超過51μj時，就可以看到放大自發輻射，多模激光光譜變窄，以113μj的泵浦能量為例，主峰波長約為577.5nm，半峰寬約為0.8nm，這一系列尖銳峰說明了相干隨機激光的產生。

本發明公開了一種基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機激光器，聚合物光纖隨機激光的閾值進一步被降低，尚能控制聚合物光纖隨機激光的發射波長，有望應用于光纖傳感和光電集成系統，同時聚合物光纖隨機激光器由于低成本和彎曲性好的特點可以有應用于微納光學集成系統的前景。