▌微區(qū)光譜在納米激光器研究中的應(yīng)用對(duì)全色域亞波長(zhǎng)尺度輸出的染料摻雜有機(jī)微盤(pán)納米激光器的微區(qū)光譜表征
微腔光子學(xué) 納米激光器 顯微光譜 光學(xué)微盤(pán) SPP 銀納米線波導(dǎo)
【概述】由于在激光照明、全色域顯示，以及生物傳感等領(lǐng)域中的重要意義，能夠同時(shí)覆蓋可見(jiàn)波段且具有高強(qiáng)度寬帶輸出的納米激光器已經(jīng)成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。2017 年 8 月，中科院化學(xué)所趙永生教授課題組在 JACS 發(fā)表了一篇題為《All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers》的文章。
圖1，一種染料摻雜有機(jī)柔性微盤(pán)與銀納米線波導(dǎo)雜化的納米激光器
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文章報(bào)道了一種采用染料摻雜的有機(jī)柔性材料，并結(jié)合銀納米線（AgNW）形成的亞波長(zhǎng)尺度輸出的納米激光器（圖1）。這種激光器能夠覆蓋完整的可見(jiàn)光波段，并能夠?qū)崿F(xiàn)多波長(zhǎng)同時(shí)輸出，因此，文章一經(jīng)報(bào)道便引起了極大關(guān)注。
【樣品 & 測(cè)試】作者采用了 有機(jī)微盤(pán)/銀納米線 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的策略實(shí)現(xiàn)了全色域亞波長(zhǎng)尺度輸出的納米激光器。這種異質(zhì)結(jié)構(gòu)由一個(gè)摻雜激光染料的高品質(zhì)微盤(pán)作為 Whispering-gallery-mode (WGM) 激光共振腔，并嵌入 AgNW，通過(guò)表面等離子體的輔助將共振腔內(nèi)的光學(xué)模式導(dǎo)出至納米線末端，終實(shí)現(xiàn)亞波長(zhǎng)尺度的激光輻射。通過(guò)摻雜多種熒光染料，可實(shí)現(xiàn)全可見(jiàn)光波段的激光輻射調(diào)制及亞波長(zhǎng)尺度的多波長(zhǎng)輸出。
圖2，納米激光器的制備過(guò)程和光學(xué)性能
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本文中納米激光器的大特點(diǎn)在于有機(jī)與金屬雜化的異質(zhì)結(jié)構(gòu)及其合成的制備方法。如 圖2A 所示，首先在襯底上形成 Polystyrene (PS)微盤(pán)。由于 PS 的柔性和可見(jiàn)波段良好的透光性，這種微盤(pán)結(jié)構(gòu)可以構(gòu)成高 Q 因子的 WGM 微腔。其次，在化學(xué)合成和液面揮發(fā)的過(guò)程中，約 170nm 直徑的 Ag 納米線通過(guò)分子力，緊密地連接在 PS 微盤(pán)上，改變水含量可以控制微盤(pán)的直徑。銀納米線與有機(jī)微盤(pán)的緊密結(jié)合是光學(xué)模式有效地從光學(xué)微腔傳導(dǎo)到納米線末端并輻射的基礎(chǔ)。
圖3，復(fù)享光學(xué)為微盤(pán)激光器近場(chǎng)光纖耦合提供的解決方案（部分）
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在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，染料摻雜的有機(jī)微盤(pán)起到了 WGM 光學(xué)增益腔的作用，銀納米線則起到了亞波長(zhǎng)波導(dǎo)的作用。如 圖2B 所示，通過(guò)不同染料的摻雜，可以實(shí)現(xiàn) 400~700nm 不同波長(zhǎng)的激射。通過(guò)微區(qū) PL 光譜的研究，可以確定這種納米激光的閾值為 ~2.1μJ/cm²，通過(guò)計(jì)算可以知道，其品質(zhì)因子約為 3047（579nm, 2.4μJ/cm²）。銀納米線的長(zhǎng)度也影響了納米激光器在不同波段輻射的效率，如 圖2C 所示。在本文測(cè)試中，以復(fù)享光學(xué)成熟的 顯微光譜解決方案 為基礎(chǔ)而設(shè)計(jì)的 定制 PL 微區(qū)光譜系統(tǒng) 為有機(jī)/金屬微盤(pán)激光器的光譜測(cè)試提供了重要幫助，是納米激光器及相關(guān)微納光子學(xué)器件檢測(cè)的基本手段。
【總結(jié)】綜上所述，文章作者開(kāi)發(fā)了一種有機(jī)微盤(pán)/銀納米線的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了全色域亞波長(zhǎng)輸出的 WGM 納米激光器。該納米激光器的閾值達(dá)到了 ~2.1μJ/cm²，品質(zhì)因子約為 3047，并可實(shí)現(xiàn) 400~700nm 范圍內(nèi)的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)。由復(fù)享光學(xué)提供的 PL 微區(qū)光譜系統(tǒng)在納米激光器的研究中起到了關(guān)鍵作用，實(shí)現(xiàn)了微區(qū)“定點(diǎn)激發(fā)”和“定點(diǎn)接收”的光譜測(cè)量功能。▌
【參考文獻(xiàn)】
? Zhao, Yongsheng, et al. "All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers." JACS 139.33 (2017): 11329-11332. Link
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