R6G量子產(chǎn)率對(duì)薄膜隨機(jī)激光器特性的影響

華北電力大學(xué)數(shù)理系 李松濤 王靈旭 丁 娜 溫 馨 劉 洋 任 芝

傳統(tǒng)激光器由泵浦源、諧振腔和增益介質(zhì)三個(gè)必要部分組成，而隨機(jī)激光器是一種區(qū)別于傳統(tǒng)激光器的新型激光器，其基本原理是利用介質(zhì)中顆粒的多重散射充當(dāng)傳統(tǒng)諧振腔的功能，因而隨機(jī)激光器不含有傳統(tǒng)意義上的諧振腔，體積較傳統(tǒng)激光器大大減小[1]。自Letokhov首次報(bào)道隨機(jī)激光器開始，研究人員不斷開展隨機(jī)激光的理論和實(shí)驗(yàn)研究。在隨機(jī)激光器的研究中，柔性薄膜型隨機(jī)激光器以其可穿戴、制備工藝簡(jiǎn)單、重復(fù)利用率高等優(yōu)點(diǎn)，在誕生之初就備受關(guān)注。然而，作為激光增益介質(zhì)的染料，其濃度對(duì)于柔性聚合物薄膜隨機(jī)激光器性能的影響不容忽視。

1 制備柔性薄膜隨機(jī)激光器

配置六種濃度不同的R6G乙醇溶液，濃度分別為1～6mg/ml，每種溶液分別與聚二甲基硅氧烷（PDMS）按照質(zhì)量體積比1mg：1ml均勻混和，混和后的溶液在0.1MPa真空腔中靜置30min，去除乙醇后與固化劑按質(zhì)量比為1：0.1進(jìn)行配比，攪拌均勻后取適量液體旋涂在15×15×1mm3硅膠墊基底上，轉(zhuǎn)速2500rpm、旋涂30s、旋涂樣品在常溫下靜置10h，待PDMS固化后得到固態(tài)柔性薄膜隨機(jī)激光器。

2 結(jié)果與討論

R6G、PDMS和硅膠墊構(gòu)成柔性薄膜型隨機(jī)激光器中，R6G分子分散在PDMS中，二者共同組成增益介質(zhì)層，硅膠墊提供柔性襯底。R6G、PDMS的分子式結(jié)構(gòu)如圖1（a）和（b）所示，圖1（c）是柔性薄膜型隨機(jī)激光器的照片（上）和剖面顯微鏡照片（下），h標(biāo)明R6G和PDMS組成的增益介質(zhì)層厚度；圖1（d）是增益介質(zhì)層厚度h與R6G乙醇溶液濃度的關(guān)系，h的數(shù)值在64～69μm之間。

本文采用均膠機(jī)旋涂方法制備增益介質(zhì)層，旋涂的厚度h，根據(jù)Emslie的指數(shù)估算關(guān)系式h=kηβ/ωp，式中h為薄膜厚度，ω為角速度，η為溶液的粘度，參數(shù)k及指數(shù)ρ、β為擬合系數(shù)，與旋涂液的物理性質(zhì)、環(huán)境的溫度濕度、溶液與基底的作用等有關(guān)[2]。在制備薄膜隨機(jī)激光器的過程中，R6G分子分散在PDMS液體中，而PDMS的粘度不發(fā)生變化，因此制備得到的含有不同濃度R6G的增益介質(zhì)層厚度基本相同。圖1（d）中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明增益介質(zhì)層厚度表現(xiàn)了較高的一致性，對(duì)后文研究起到積極作用。

圖1 薄膜隨機(jī)激光組分和厚度

為進(jìn)一步研究薄膜隨機(jī)激光器的特性，本研究使用納秒激光器（PL DLS 8000）作為泵浦源，泵浦源波段選取為Nd:YAG倍頻后的532nm，脈沖寬度為10ns，重復(fù)頻率為10Hz，單脈沖最大輸出能量為10mJ，利用光纖光譜儀（Ocean Optics Maya 2000 Pro光譜儀）接收聚合物薄膜隨機(jī)激光器發(fā)射的隨機(jī)激光，探測(cè)角度無特殊說明均為45°。532nm處于R6G的吸收帶，因此柔性聚合物隨機(jī)激光器中的一部分基態(tài)電子在吸收了能量后，躍遷至于此能量相對(duì)應(yīng)的較高能級(jí)達(dá)到激發(fā)態(tài)，當(dāng)處于較高能級(jí)上的粒子以另一種方式躍遷回基態(tài)的較低能級(jí)時(shí)、即電子跳回基態(tài)，光子被釋放，此時(shí)在聚合物膜中由于散射作用（服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律），這一束光被分散成多個(gè)，絕大多數(shù)的光子被散射至無數(shù)的散射顆粒所充當(dāng)?shù)牡刃⑶唤Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，光被放大，輻射出與吸收光子頻率、相位、偏振態(tài)以及傳播方向完全相同的光子，當(dāng)增益大于損耗就產(chǎn)生了激光[3]。

圖2(a、c、e)為不同濃度下（1mg/ml、4mg/ml、6mg/ml）的隨機(jī)激光隨泵浦功率密度的變化情況；(b、d、f)為不同泵浦功率密度下隨機(jī)激光半峰全寬和強(qiáng)度之間的變化情況。

圖2 隨機(jī)激光特性

圖2中（a）和（b）對(duì)應(yīng)著R6G濃度為1mg/ml的柔性聚合物隨機(jī)激光器激光出射情況，當(dāng)樣品受到532nm激光的光源泵浦時(shí)，隨著激發(fā)光能量的增加，在波長(zhǎng)為565.97nm處出現(xiàn)隨機(jī)激光，其閾值約為14.86μJ/cm2。（c）和（d）對(duì)應(yīng)著R6G濃度為4mg/ml的柔性聚合物隨機(jī)激光器激光出射情況，當(dāng)樣品受到532nm激光的光源泵浦時(shí)，隨著激發(fā)光能量的增加，在波長(zhǎng)為573.81nm處出現(xiàn)隨機(jī)激光，其閾值約為27.07μJ/cm2。（e）和（f）對(duì)應(yīng)著R6G濃度為6mg/ml的柔性聚合物隨機(jī)激光器激光出射情況，當(dāng)樣品受到532nm激光的光源泵浦時(shí)，隨著激發(fā)光能量的增加，在波長(zhǎng)為583.43nm處出現(xiàn)隨機(jī)激光，其閾值約為39.60μJ/cm2。可見隨著濃度的增加閾值不斷提高，激發(fā)難度越來越大。

對(duì)于相同R6G濃度的隨機(jī)激光器，隨著泵浦能量密度的增強(qiáng)，激光強(qiáng)度不斷增大且半峰全寬不斷變窄，而隨著濃度的增加閾值越來越高，激發(fā)越來越困難。圖2(a、c、e)左側(cè)展示的是形同R6G濃度的樣品在不同泵浦能量密度下的激發(fā)情況，(b、d、f)右側(cè)展示的是泵浦能量密度與半峰全寬（FWHM）的線性關(guān)系（紅色線條表示的是泵浦能量密度和出射光的強(qiáng)度之間的關(guān)系；黑色線條表示的是泵浦能量密度與出射波長(zhǎng)的半峰全寬之間的關(guān)系），交點(diǎn)處藍(lán)色箭頭處即為隨機(jī)激光器的閾值。

圖3(a)為旋涂機(jī)不同轉(zhuǎn)速下對(duì)不同濃度的隨機(jī)激光薄膜厚度進(jìn)行的表征(b)六個(gè)濃度泵浦激光發(fā)射光譜組合圖，從左到右六個(gè)濃度依次為1～6mg/ml，選取三個(gè)具有代表性的泵浦能量密度合并到一個(gè)圖中，“由低到高”對(duì)應(yīng)的泵浦能量分別為11.33μJ/cm2、20.71μJ/cm2、37.54μJ/cm2，箭頭所指示的為整體走向趨勢(shì)。(c)是用MATLAB擬合的波長(zhǎng)與濃度變化曲線。如圖3(a)所示，對(duì)不同樣品分別給予相同的泵浦能量，發(fā)現(xiàn)隨著濃度的增加出射光波長(zhǎng)不斷紅移，且紅移的速度呈現(xiàn)先快后慢的趨勢(shì)，濃度過高發(fā)生淬滅，光強(qiáng)度逐漸減弱，光強(qiáng)與波長(zhǎng)的變化呈指數(shù)趨勢(shì)衰退。

圖3 增益介質(zhì)濃度與光譜的關(guān)系

出射光波長(zhǎng)與強(qiáng)度的關(guān)系表示如圖3(b)，選取11.33 μJ/cm2、20.71 μJ/cm2、37.54 μJ/cm2三個(gè)具有代表性的泵浦能量密度合并到一個(gè)圖中，藍(lán)色箭頭所指示的為整體走向趨勢(shì)。在考慮薄膜厚度、激發(fā)光功率密度的前提下，對(duì)出射光強(qiáng)度和波長(zhǎng)的關(guān)系描述如圖3(c)所示，隨著濃度的升高，波長(zhǎng)逐漸紅移，強(qiáng)度逐漸減弱，泵浦能量密度越高這種趨勢(shì)越明顯。

為探究濃度的變化對(duì)波長(zhǎng)造成的影響，將波長(zhǎng)和濃度的變化擬合到一張圖中并得出曲線如圖3(c)，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)、縱坐標(biāo)為濃度，通過泵浦不同濃度條件下的樣品所測(cè)得的出射隨機(jī)激光，用得到的多組數(shù)據(jù)可看出變化的趨勢(shì)是先快后緩，符合正弦曲線的特征。將原始數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，得到了數(shù)據(jù)的擬合曲線方程ρ=αsin(ωλ+β)，ρ為R6g的濃度，λ為出射光波長(zhǎng)，α、β、ω為擬合系數(shù)，α=6.397、β=0.6246、ω=0.3862，取值范圍分別為(4.501，8.292)、(0.3609，0.8883)、(0.1731，0.5992)，方差SSE=0.09704，均方根RMSE=0.1798，確定系數(shù)R-square=0.9945，這足以說明擬合效果很好，符合數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，在實(shí)驗(yàn)所選用的濃度范圍內(nèi)可用此方程估算其出射激光的波長(zhǎng)，這對(duì)以后的實(shí)驗(yàn)有很好的指導(dǎo)作用。

熒光量子效率定義為φf=PhotonEm/PhotonAbs，式中[PhotonEm]為愛因斯坦發(fā)射光子數(shù)，PhotonAbs為愛因斯坦吸收光子數(shù)，根據(jù)Beer定律光密度D=εcl，強(qiáng)度為I的泵浦光激發(fā)樣品熒光強(qiáng)度∫f(ν)dν表示為∫f(ν)dν=AIφf(1-e-εcl)。

本文計(jì)算了不同濃度條件下的聚合物激光器量子產(chǎn)率，圖4(a)是六個(gè)濃度隨機(jī)激光器的的消光光譜，其中黑色線條表示硅膠墊基底的消光光譜，紅色線條表示只有PDMS有機(jī)化合物的消光光譜。(b)是濃度和激光量子效率之間的變化曲線，右上角為不同濃度的隨機(jī)激光器的光密度D的走勢(shì)圖。

圖4 消光特性和量子效率與濃度的關(guān)系

3 結(jié)語

本文討論了R6G濃度對(duì)柔性聚合物薄膜隨機(jī)激光器出射光波長(zhǎng)、強(qiáng)度、半峰寬、閾值及模式特性的影響并得出結(jié)論：在厚度一定的前提下，泵浦光能量密度一定的情況下，隨著濃度的增加波長(zhǎng)逐漸紅移，且紅移的速度先快后慢，當(dāng)濃度過高發(fā)生淬滅會(huì)再次藍(lán)移回來；出射光強(qiáng)度越來越小；半峰全寬越來越寬且曲線越來越不光滑，向著多模的趨勢(shì)發(fā)展；閾值不斷提高激發(fā)越來越困難；在不考慮超高濃度藍(lán)移回來的情況下，波長(zhǎng)與強(qiáng)度呈指數(shù)趨勢(shì)衰退；激光量子產(chǎn)率越來越低。