本發(fā)明涉及光纖隨機(jī)激光器領(lǐng)域，具體是一種基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機(jī)激光器。

背景技術(shù)：

在最近幾年的研究中無序和非周期性光子成為一個(gè)研究熱點(diǎn)?？茖W(xué)家們研究如何駕馭不規(guī)則且對光有強(qiáng)烈隨機(jī)散射的無序介質(zhì)。在隨機(jī)材料中光擴(kuò)散是一個(gè)普遍的物理現(xiàn)象。最近，研究者們發(fā)現(xiàn)光波在隨機(jī)材料傳輸過程中蘊(yùn)含著許多豐富有趣的物理學(xué)現(xiàn)象。光在無序結(jié)構(gòu)中傳輸會(huì)發(fā)生多重散射而不會(huì)損失它的光波特征，同時(shí)光波在散射過程中和散射之后都能發(fā)生干涉效應(yīng)。又因?yàn)楣馍⑸涫菑椥陨⑸洌怨鈱W(xué)信息不會(huì)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(diǎn)導(dǎo)致光在無序介質(zhì)中傳輸產(chǎn)生一系列有趣的物理效應(yīng)，同時(shí)在無序光子學(xué)方面將會(huì)有巨大的應(yīng)用潛力，例如如果光通過無序散射介質(zhì)，例如生物組織，并且能成像出來的話，將在生物醫(yī)學(xué)上有很大的進(jìn)步，同時(shí)將對醫(yī)學(xué)成像，光遺傳學(xué)，及動(dòng)態(tài)光療產(chǎn)生巨大的影響。

隨機(jī)激光是一種非傳統(tǒng)類型的激光，不需要傳統(tǒng)激光器所需要的反射鏡構(gòu)成的諧振腔，它只依賴增益介質(zhì)和無序散射介質(zhì)獲得反饋和光。研究者對于隨機(jī)激光的特殊性質(zhì)產(chǎn)生了濃厚的興趣。研究者發(fā)現(xiàn)可以在許多體系中得到隨機(jī)激光，例如增益介質(zhì)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(tǒng)。然而，傳統(tǒng)的無方向性特征的隨機(jī)激光系統(tǒng)已經(jīng)在很大程度上限制了它們的應(yīng)用。作為一種新型的激光器，隨機(jī)激光的高閾值和無方向性阻礙其發(fā)展。為了解決這兩個(gè)難題，人們嘗試?yán)靡痪S和二維結(jié)構(gòu)束縛隨機(jī)激光從而得到具有低閾值和一定方向性的隨機(jī)激光發(fā)射。聚合物光纖由于他們?nèi)嵝院谩⒁子谔幚?、?jīng)濟(jì)及較大的數(shù)值孔徑等特點(diǎn)受到越來越多的受到關(guān)注。聚合物光纖被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)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(fā)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(jī)激光器領(lǐng)域。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)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(jī)激光器，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機(jī)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(fā)劑過氧化二月桂酰、增益介質(zhì)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(jī)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(diǎn)、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(jī)激光器，其特征在于：所述纖芯中，摻雜的增益介質(zhì)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(jī)激光器，其特征在于：構(gòu)成包層的共聚物中，甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量為構(gòu)成包層的共聚物總質(zhì)量的10%-70%，丙烯酸丁酯的質(zhì)量為構(gòu)成包層的共聚物總質(zhì)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(jī)激光器，其特征在于：整個(gè)光纖激光器中，甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸芐酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17wt.%-21wt.%，摻雜的增益介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt.%-0.4wt.%，過氧化二月桂酰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt.%-1.5wt.%，摻雜的納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(yù)制棒作為包層；

（2）、將構(gòu)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(fā)劑過氧化二月桂酰、增益介質(zhì)按各自重量百分比注入到步驟（1）得到的空芯聚合物預(yù)制棒中；

（3）、將步驟（2）得到的預(yù)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(yù)制棒；

（4）、將納米顆粒摻雜的增益無序聚合物光纖預(yù)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(jī)激光器。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是基于一種基于納米散射穩(wěn)定的相干無序聚合物光纖隨機(jī)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(jī)激光的閾值進(jìn)一步被降低。同時(shí)如果更換纖芯里面的激光增益介質(zhì)的種類，能控制聚合物光纖隨機(jī)激光的發(fā)射波長。由于這種聚合物光纖隨機(jī)激光有低閾值和有方向性的特點(diǎn)有望應(yīng)用于光纖傳感和光電集成系統(tǒng)，同時(shí)聚合物光纖隨機(jī)激光器由于低成本和彎曲性好的特點(diǎn)可以有應(yīng)用于微納光學(xué)集成系統(tǒng)的前景。

附圖說明

圖1為本發(fā)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(fā)射譜變化圖。

具體實(shí)施方式

基于納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖隨機(jī)激光器，包括纖芯和包層，纖芯材料為納米顆粒、引發(fā)劑過氧化二月桂酰、增益介質(zhì)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(diǎn)、poss納米顆粒中的任意一種。

纖芯中，摻雜的增益介質(zhì)為pm597、pm567、羅丹明6g中的任意一種。

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

整個(gè)光纖激光器中，甲基丙烯酸甲酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0wt.%-85wt.%，甲基丙烯酸芐酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0wt.%-30wt.%，丙烯酸丁酯的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17wt.%-21wt.%，摻雜的增益介質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1wt.%-0.4wt.%，引發(fā)劑過氧化二月桂酰的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5wt.%-1.5wt.%，摻雜的納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jī)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(yù)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(fā)劑過氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及鏈轉(zhuǎn)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(yù)制棒。

第二步：激光增益介質(zhì)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(zhì)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(fā)劑過氧化二月桂酰（0.1wt.%-0.5wt.%）及鏈轉(zhuǎn)移劑正丁硫醇（0.1wt.%-0.3wt.%）攪拌均勻注入空芯的聚合物預(yù)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，得到納米顆粒摻雜的無序聚合物光纖預(yù)制棒。

第三步：將poss納米顆粒摻雜的聚合物光纖預(yù)制棒放入拉絲機(jī)中進(jìn)行拉絲，加熱爐的溫度升到190oc，通過控制預(yù)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(jī)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(fā)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(fā)輻射光譜，半峰寬約為11.7nm。當(dāng)泵浦能量超過51μj時(shí)，就可以看到放大自發(fā)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(jī)激光的產(chǎn)生。

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