多重响应型可调谐光子晶体微型激光器的双光子加工与性能研究

Flexible, smart, polymeric photonics crystal microlasers are the hot topic in the all-optical integration technology. Lasing emission in polymeric photonic crystal can be realized by introducing fluoresent defect structures, in which the gain is enahcned by the defect mode of the photonic crystals. The studies of this project will simutaneously change the photonic bandgap and fluorescnet property of the polymeric photonic crystals by fabricating fluorescent defects in the responsive photonic crystals via the combination of the “bottom-up” self-assembly and “top-down” two-photon lithography. We will investigate the influence of the materials and laser parameters on the photonic bangap of the photonic crystals,and optical properties of the semiconductor nanoparticels in the defects. On the basis of this, we will demonstrate the interaction of the optics and matter in the photonic crystal containing semiconductor nanoparticles, and achieve lasing oscillation in the photonic crystals. Furthermore, the lasing wavelength will be tuned by outside stimuli. 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.

柔性化、智能化的聚合物光子晶体微型激光器是全光集成领域的研究热点。在响应型聚合物光子晶体局部微区域引入发光材料，利用光子晶体缺陷态来增强发光材料的增益特性，有望在柔性聚合物光子晶体中实现可集成的智能化、微型化激光器件。本项目拟采用自组装技术和双光子加工技术相结合的方法，在响应型聚合物光子晶体中引入微缺陷结构，并在缺陷中原位生成半导体纳米粒子，同时改变光子晶体的光子带隙和荧光发光特性。探索光刻胶配方和激光加工参数对聚合物光子晶体微缺陷结构的光子带隙和半导体纳米粒子的发光特性的影响。在此基础上，系统地研究含有半导体纳米粒子的聚合物光子晶体微缺陷中光与物质相互作用机制，阐明激光发射产生的条件和途径，进一步利用响应型光子晶体对外界刺激的响应实现对激光波长的调控，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。

微型激光器是光子集成回路的核心单元结构，是全光集成领域的重要研究热点。智能响应型柔性聚合物光子晶体微型激光器作为一种新型微型激光器，是利用柔性聚合物光子晶体的智能响应性对光子禁带的调控来实现对发光介质自发辐射的选择性放大增强，从而有望实现波长可调谐的激光发射。在国家自然科学基金的支持下，我们开展了多种刺激响应性聚合物材料的研究工作，通过飞秒激光双光子加工制备了具有光热响应、磁场响应的微结构，成功实现了微结构的光热驱动和磁场驱动，为响应型微结构和器件的制备奠定了坚实的基础。进一步，我们通过引入功能性单体丙烯酸和N-异丙基丙烯酰胺，制备了具有pH、温度和溶剂多重响应性的光刻胶材料，利用模板法制备了具有多重响应性的反蛋白石结构光子晶体，深入研究其多重刺激响应行为并揭示其响应机理，在此基础上将其应用于可调谐激光发射研究中，成功实现了红绿蓝三基色可调谐激光发射。上述可调谐光子晶体激光器的调控方法简便有效，展示出在显示、通讯、传感等领域的巨大应用潜力。此外，我们还利用飞秒激光双光子加工技术，在响应型光子晶体中构筑了局域化的微缺陷结构，在微区透/反射光谱上观察到缺陷态的存在，并利用缺陷态实现了对发光介质自发辐射的调控。另外，通过在光刻胶体系引入具有长烷基链的功能单体，制备了适用于双光子加工的含量子点光刻胶，为构筑新型量子点发光微结构和器件奠定了基础。基于上述研究工作，在国际学术期刊上发表了9篇学术论文，参加国际学术会议两次并做邀请报告和口头报告各一次，申请中国发明专利2项，其中1项发明专利获得授权，培养硕士研究生2名。