基于聚合物互穿网络结构纳米复合材料的包埋型微结构的多光子加工与性能研究

Polymeric active devices are the hot topic in the all-optical integration technology. The key point to realize the active devices in polymers is simultaneous enhancement of the refractive index and optical gain properties. The studies of this project will change the refractive index and optical properties of the local regions embedded inside the transparent polymer by introducing semiconductor nanoparticles using in-situ synthesis into the interpenetrated polymer network, which is fabricated via the combination of the UV and multi-photon induced polymerization. We will investigate the influence of the materials and laser parameters on the size, component, and cross-linking intensity of the interpenetrated polymer network. Furthermore, we will study the dependence of the size, distribution, concentration and optical properties of the semiconductor nanoparticels on the interpenetrated polymer network. On the basis of this, we will demonstrate the interaction of the optics and matter in the interpenetrated polymer network containing semiconductor nanoparticles. The studies in this project will provide novel ideas and important strategies for the development and integration of the polymeric active devices, and promote the development of the all-optical integration.

聚合物有源光子学器件是全光集成领域的研究热点。同时提高透明聚合物中局部微区域的折射率和光学增益特性，是在聚合物中实现可集成的有源光子学器件的关键。本项目拟采用紫外曝光技术与多光子加工技术相结合的方法，在透明聚合物中形成微纳尺度的包埋型聚合物互穿网络结构，并在其中原位生成半导体纳米粒子，同时赋予其高折射率和荧光发光特性。探索材料种类和激光加工参数对聚合物互穿网络结构的微区尺寸、成分的空间分布以及网络交联密度等参数的影响。进一步，考察半导体纳米粒子的尺寸、分布、浓度以及发光特性等参数对聚合物互穿网络结构的依赖性。在此基础上，系统地研究含有半导体纳米粒子的聚合物互穿网络结构中光与物质相互作用原理，为聚合物有源光子学器件的构筑和集成提供新的研究方法和技术途径。本项目研究工作具有原始创新性，将对全光集成技术的发展产生重要的推动作用。

聚合物有源光子学器件是全光集成领域的研究热点。本项目研究了利用双光子加工技术在透明聚合物材料内部局部区域引入包埋型结构，利用聚合物互穿网络引入功能分子和纳米粒子改变了透明聚合物局部微区的物理化学性质，探索实现包埋结构光学增益增强的途径，为实现聚合物有源光子学结构和器件奠定基础。取得的主要成果如下：(1)利用双光子加工技术在热固性聚合物内部微区域引入交联聚合物网络，成功地构筑了基于聚合物互穿网络结构的包埋结构，并通过负载荧光染料的方式实现了包埋结构的可视化；(2) 利用双光子加工技术在聚合物光子晶体中构筑了含发光材料的包埋结构，探索实现包埋结构发光增强的途径，观察到包埋结构中发光材料的自发辐射增强的现象并解释其机理；(3) 制备了一系列适用于光聚合的聚合物纳米复合材料，并研究了其光学性质。本项目共发表SCI研究论文10篇，申请中国发明专利1项。培养硕士研究生和博士后各一人。