有机复合微纳谐振腔的可控构筑及激光性能研究

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微纳激光器是一类器件尺寸或模式体积在波长或亚波长尺度的小型化激光器,是激光技术与纳米技术交叉产生的研究前沿。各种光子学器件的不断发展对微纳激光器的性能提出了越来越高的要求。然而,单一的材料和器件结构由于其性质和功能受限,变得越来越无法满足实际的光子学应用对微纳激光器性能提升和功能拓展的需求。通过集成多种材料与器件来构筑复合的微纳激光器成为了进一步提高激光性能一种很好的选择。但是目前如何有效构筑复合结构实现特定光子学功能还是一个很大的挑战。  有机材料由于具有丰富的种类、温和的加工制备手段、良好的兼容性和掺杂特性,逐渐成为提升和拓展激光性能的首选材料。利用有机材料良好的兼容性以及材料或结构的多样性,探索具有更高性能和更多功能的微纳激光器的合理设计和有效构筑,具有十分重要的科学意义和应用价值。本文以具有特定功能的微纳激光器为导向,理性设计器件结构,选择合适材料体系,依据对有机材料组装和加工规律的认识,构建了所需的有机复合结构。基于此我们实现了兼具高光谱纯度和波长可切换的微纳激光器。并深入研究了复合结构与激光性能之间的关系。主要研究内容包括:  (1)通过构建轴向耦合纳米线异质结实现了双色单模激光器。我们选择具有准四能级结构和较高发光效率的两种发光颜色的寡聚苯乙烯类有机小分子染料作为模型化合物。利用液相自组装方法制备了两分子的单晶纳米线,分别研究了他们的光致激光特性。在纳米构筑的思想指导下,我们利用微操手段将不同发光性质的纳米线构建成了轴向耦合纳米线异质结,在轴向耦合纳米线异质结中每一根纳米线既作为对应材料的激光增益介质也可以作为另一根纳米线的模式滤波器,在同时激发该轴向耦合纳米线异质结结构时,实现了双色单模激光出射。此外,由于该器件中两增益介质空间上的分离,使得不同输出端口输出了不同的相干信号,为我们进一步构筑理想功能的光子学元件提供新思路。  (2)通过构建柔性复合微腔实现动态可调单模激光。我们发展了一种可控制备柔性高品质回音壁模式谐振腔的方法。利用电子束曝光技术曝光具有不同灵敏度的双层光刻胶,通过一步显影定影,形成具有支柱结构的回音壁模式(WGM)谐振腔阵列,通过在上层高分子光刻胶中掺杂激光染料实现激光出射。为了实现单模激光,我们构建了耦合的WGM谐振腔,基于游标效应(Vernier effect),最终实现单模激光。我们设计并制备了柔性基底支撑的单个微盘与另两个微盘相邻的结构,通过将基底朝不同方向弯折实现单个微盘与另两个微盘的选择性耦合,最终实现了单模的动态切换输出。我们的工作也为研究者们进一步探索柔性光子学集成提供有益参考。  总之,不同于以往的从结构本身出发寻求功能的研究思路,我们力求在深入了解有机材料组装和加工规律的基础上,以功能为导向设计特定结构,提出合理的构建方法可控制备所需的有机复合结构,包括材料复合和结构复合,实现预期的光子学功能。我们展示了一套相对完整的有机微纳光子学器件的设计构筑的研究思路。此外,复合体系有效构筑的探索实践对设计和开发具有特定功能的微纳激光器以及其他光子学器件具有深刻的指导意义。
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