基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了基于金属薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法，该激光器包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层；金属薄膜层为能够产生等离子体效应SPP的金属薄膜，第一金属纳米粒子层为能够实现等离子体效应LSPR的金属纳米粒子；增益介质层内随机分布有一定掺杂浓度的具有LSPR效应的第二金属纳米粒子。本发明专利技术在第一金属纳米粒子与金属薄膜组成的等离子体复合结构基础之上，通过在增益介质层掺杂第二金属纳米粒子使增益介质的激射性能增强；同时第一金属纳米粒子层及金属薄膜还能分别与其附近的增益介质里的第二金属纳米粒子实现等离子体耦合，进一步增强电场，进而显著增强增益介质激射性能。

Low threshold organic solid state laser based on metal nano film and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法
本专利技术涉及激光器
，具体为一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法。
技术介绍
有机固体激光器具有制备工艺简单、成本低廉、材料丰富、出射波长易于调节等众多优点，因此在军事、医疗、通讯、科研等领域拥有巨大的市场前景，并受到国内外研究者的广泛关注。目前，有机固体激光器在光泵浦方面已取得很大进展，随着人们对光电器件的进一步认识，实现电泵浦有机固体激光器成为人们追求的目标。金属电极在电泵浦有机固体激光器中是必不可少的，然而由于金属电极对其附近的荧光分子发射光有很强的猝灭和吸收损耗，导致有机功能材料的激射阈值过高，难以实现电泵浦有机固体激光器，因此，避免金属电极对有机功能材料的光猝灭及吸收损耗，进一步降低有机分子及其体系的激射阈值，不仅有助于实现低阈值光泵浦有机固体激光器，也是实现电泵浦有机固体激光器的前提条件之一。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器及其制备方法。本专利技术的第一个目的是提供一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层；其中，所述金属薄膜层为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的金属薄膜，所述第一金属纳米粒子层由能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子组成；所述增益介质层内随机分布有第二金属纳米粒子，所述第二金属纳米粒子为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，所述增益介质层内第二金属纳米粒子的掺杂浓度为1×10-8g/cm3-9×10-2g/cm3。优选地，该低阈值有机固体激光器还包括第一隔离介质层和/或第二隔离介质层；所述第一隔离介质层层叠设置于所述金属薄膜层与所述第一金属纳米粒子层之间，所述第二隔离介质层层叠设置于所述第一金属纳米粒子层与增益介质层之间。更优选地，所述第一金属纳米粒子层和所述第二金属纳米粒子分别独立选自金、银、铂材质的纳米球、纳米棒、纳米立方、纳米三角形、纳米线或各种纳米尺寸形状的金属纳米粒子；所述第一金属纳米粒子与所述第二金属纳米粒子相同或不同。更优选地，所述增益介质层内第二金属纳米粒子的掺杂浓度为8.95×10-6g/cm3-2.61×10-3g/cm3。更优选地，所述第一隔离介质层和所述第二隔离介质层均为SiO2层、LiF层、聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯层，厚度为1-100nm。优选地，所述金属薄膜层为厚度为10-100nm的银薄膜或金薄膜。优选地，所述增益介质层的材料包括高分子聚合物和激光染料，所述高分子聚合物与所述激光染料的质量比1～80：1。更优选地，所述高分子聚合物为聚苯乙烯、聚乙烯醇或聚甲基丙烯酸甲酯；所述激光染料为红光激光染料或蓝光激光染料，其光发射波长均在可见光范围内。本专利技术的第二个目的是提供上述基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器的制备方法，包括以下步骤：S1，通过真空蒸镀法或磁控溅射法在衬底上沉积金属薄膜，得到厚度为10-100nm的金属薄膜层；S2，将第一金属纳米粒子以自组装、旋涂或滴涂的方式沉积在所述金属薄膜层上，得到第一金属纳米粒子层，厚度为1-200nm；S3，将高分子聚合物与激光染料混合后加入有机溶剂中充分溶解，并向其中掺杂第二金属纳米粒子，得到混合液，将所述混合液旋涂在所述第一金属纳米粒子层表面，得到厚度为0.1-3μm的增益介质层。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供的有机固体激光器，包括依次层叠设置的衬底、金属薄膜层、第一金属纳米粒子层和增益介质层，增益介质层内随机分布有第二金属纳米粒子；第一金属纳米粒子层中的金属纳米粒子和第二金属纳米粒子均具有局域表面等离子体(LSPR)效应，金属薄膜层中的金属薄膜具有非局域表面等离子体效应(SPP)效应。首先，当金属纳米粒子的LSPR与金属薄膜的SPP耦合时，所产生的局域电场强度相比于单独的金属纳米粒子或者金属薄膜的电场强度更强，且由于金属薄膜的外反馈作用，相比于单独的金属纳米粒子，复合结构具有更强的散射效应，因此第一金属纳米粒子与金属薄膜组成的等离子体复合结构相比于单独的金属纳米粒子或者金属薄膜有更强的局域电场与散射强度。其次，通过在增益介质层中进一步随机分布一定掺杂量的第二金属纳米粒子，掺杂的第二金属纳米粒子要求为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，因此具有强的局域电场及散射效应，这使得器件中在第一金属纳米粒子层与金属薄膜组成的等离子体复合结构基础之上具有第二金属纳米粒子产生的额外的强局域场及散射效应，可以进一步增强增益介质的激射性能。最后，第一金属纳米粒子层和金属薄膜还能分别与其附近的增益介质里掺杂的第二金属纳米粒子实现等离子体耦合，进而进一步增强电场，显著增强增益介质的激射性能。因此，本专利技术制备出的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器具有更强的激射现象，更好的降低了激光阈值，达到优化激光器性能的作用。附图说明图1为本专利技术实施例1的有机激光器的结构图；图2为本专利技术实施例2的有机激光器的结构图；图3为本专利技术实施例3的有机激光器的结构图；图4为(a)单独银纳米球，(b)间距为10nm的银纳米球(直径50nm)与银薄膜(厚度50nm)组成的等离子体复合结构，(c)间距为18nm的两个银纳米球(直径50nm)，分别在435nm波长激发下的电场分布图。图中：1、衬底；2、金属薄膜层；3、第一隔离层；4、第一金属纳米粒子层；5、第二隔离层；6、增益介质层；7、第二金属纳米粒子。具体实施方式下面结合本专利技术的具体实施例和附图，对本专利技术的技术方案作进一步的描述，但本专利技术不限于这些实施例。实施例1本实施例一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，如图1所示，包括由下至上依次层叠设置的玻璃衬底1、金属薄膜层2、第一隔离介质层3、第一金属纳米粒子层4、增益介质层6，且增益介质层6内随机分布的第二金属纳米粒子7；其中，金属薄膜层2为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的银薄膜层，厚度为50nm，第一隔离介质层3为厚度为20nm的SiO2隔离层，第一金属纳米粒子层4为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的银纳米球岛膜层，这些银纳米球的直径为50nm，银纳米球岛膜层的厚度为50nm；增益介质层6的材料由聚苯乙烯PS与蓝色激光染料BMT-TPD按照4：1的质量比组成，增益介质层6内还随机分布有第二金属纳米粒子7，这些第二金属纳米粒子7亦为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的直径为50nm银纳米球，增益介质层6内第二金属纳米粒子7的掺杂浓度为9.2×10-4g/cm3，增益介质层6的厚度为300nm。具体器件结构表述如下：glass/Agfilm(50nm)/SiO2(20nm)/Agnanospheres(50nm)/PS:BMT-TPD本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底(1)、金属薄膜层(2)、第一金属纳米粒子层(4)和和增益介质层(6)；/n其中，所述金属薄膜层(2)为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的金属薄膜，所述第一金属纳米粒子层(4)由能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子组成；/n所述增益介质层(6)内随机分布有第二金属纳米粒子(7)，所述第二金属纳米粒子(7)为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，所述增益介质层(6)内第二金属纳米粒子(7)的掺杂浓度为1×10

【技术特征摘要】
1.一种基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，包括依次层叠设置的衬底(1)、金属薄膜层(2)、第一金属纳米粒子层(4)和和增益介质层(6)；
其中，所述金属薄膜层(2)为能够产生非局域表面等离子体效应SPP的金属薄膜，所述第一金属纳米粒子层(4)由能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子组成；
所述增益介质层(6)内随机分布有第二金属纳米粒子(7)，所述第二金属纳米粒子(7)为能够实现局域表面等离子体效应LSPR的金属纳米粒子，所述增益介质层(6)内第二金属纳米粒子(7)的掺杂浓度为1×10-8g/cm3-9×10-2g/cm3。


2.如权利要求1所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，还包括第一隔离介质层(3)和/或第二隔离介质层(5)；
所述第一隔离介质层(3)层叠设置于所述金属薄膜层(2)与所述第一金属纳米粒子层(4)之间，所述第二隔离介质层(5)层叠设置于所述第一金属纳米粒子层(4)与增益介质层(6)之间。


3.如权利要求1或2所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述第一金属纳米粒子层(4)和所述第二金属纳米粒子(7)分别独立选自金、银、铂材质的纳米球、纳米棒、纳米立方、纳米三角形、纳米线或各种纳米尺寸形状的纳米颗粒；
所述第一金属纳米粒子(4)与所述第二金属纳米粒子(7)相同或不同。


4.如权利要求3所述的基于金属纳米薄膜的低阈值有机固体激光器，其特征在于，所述增益介质层(6)内第二金属纳米粒子(7)的掺杂浓度为8.95×10-6g/cm3-2.61×10-3...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁舒雅，代康，张那明，张一凡，吴元，
申请(专利权)人：陕西科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61