基于掺杂纳米银的全息聚合物分散液晶光栅实现连续调谐有机分布反馈激光器的研究

Organic distributed feedback laser based on holographic polymer-dispersed liquid crystal grating has the advantages of tunable wavelength, easy fabrication and integration. It has potentially significant value in spectral analysis, optical fiber communication and other fields. However, this kind of laser has the problems of low energy conversion efficiency and narrow wavelength tuning range. Therefore, this project proposes and fabricates the design of distributed feedback laser using holographic polymer-dispersed liquid crystal grating doped with silver nanoparticles as resonator. In order to increase the energy conversion efficiency, the project uses silver nanoparticles to improve refractive index modulation and scattering loss, and meanwhile increase the energy utilization of the gain material. This project will study the effect of silver nanoparticles-doped on the energy conversion efficiency and other output parameters of laser and analyze the mechanism of silver nanoparticles in the process of photon feedback with localized surface plasmon resonance effect and scatter characteristics as starting points. On the basis, the project will design composite structure using varied-line-spacing grating and wedge-shaped thin film to improve the wavelength tuning range. The results can not only provide reference and basis for the application of silver nanoparticles in organic distributed feedback laser, but also have practical value for the application of such lasers.

基于全息聚合物分散液晶光栅的有机分布反馈激光器具备出射波长可调、制备简单和易于集成等优势，在光谱分析和光纤通信等领域具有潜在的应用前景，但此类器件存在能量转化效率低以及单片结构的波长连续调谐范围小等问题。为此，本项目提出将纳米银掺杂的全息聚合物分散液晶光栅作为谐振腔，制备有机分布反馈激光器，利用纳米银一方面改善反馈光栅的折射率调制和散射损耗，另一方面提升增益材料的光能利用率，从而达到提高能量转化效率的目的。项目将研究纳米银的掺杂条件对能量转化效率等性能参数的影响规律；并由纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应和颗粒散射特性入手，研究纳米银在光子反馈过程中的作用机理；在利用纳米银提升激光器性能的基础上，设计并制备由变间距光栅和楔形增益膜组成的非均匀复合结构，以增大波长调谐范围。项目成果不仅可以为纳米金属颗粒在有机分布反馈激光器中的应用提供参考和依据，对此类激光器的发展也具有实际应用价值。

基于全息光栅的有机激光器具备出射波长可调、制备简单和易于集成等优势，在光谱分析和光纤通信等领域具有潜在的应用前景，但此类器件存在能量转化效率低、出射能量弱以及单片结构的波长连续调谐范围小等问题。为此，本项目针对上述科学问题，开展了以下工作：（1）优化了纳米银掺杂的全息聚合物分散液晶材料的光敏感特性，使得该材料在532和632.8nm处同时曝光并制备电控光栅，当曝光时间为2和17min时，衍射效率分别为75%和57%，阈值电压约为2.9V/μm，该研究成果为制备不同出射波长的染料激光器提供了技术前提；（2）制备了变间距光栅和楔形薄膜的非均匀复合结构，结合三角镂空陶瓷挡板，设计了一种掩膜离子束刻蚀技术，通过档板参数的灵活设计制备不同厚度变化的楔形薄膜，并利用柱面波与平面波干涉在楔形薄膜表面制备了波长连续变化的啁啾光栅，结构中光栅周期变化量为149.2nm，波导层厚度变化量为100nm，该成果为增加波长调谐范围提供了工艺基础；（3）设计了基于双层导模共振结构的染料激光器，利用结构产生的双共振波长分别与染料激发波长和出射波长相匹配，一方面借助激发共振产生的局域场增强效应，另一方面借助导模共振效应良好的方向性，双管齐下达到提高出射强度并降低出射阈值的目的，激光线宽约为1.06nm，阈值为0.92mJ/cm2；（4）在导模共振结构的光栅层和基底层间，引入低折射率的多孔二氧化硅间隔层，使得电场增强区域上移至染料层，增加了激光染料与电场的相互作用，实现了激光出射增强，研究了820nm 共振波长下的出射激光特性，其能量阈值约为 2.5mJ/cm2，线宽约为0.3nm；（5）设计了基于透射式导模共振结构的染料激光器，利用两个结构相同的耦合光栅实现染料激光器在透射方向上出射，讨论了耦合光栅的对称式移动对出射波长和带宽的调谐，结果表明当耦合光栅横向移动250nm时，可实现10nm的波长调谐。上述研究成果从提高出射能量和增加波长调谐范围两个方面为该类型激光器的性能改善提供了参考和依据。