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光子晶体颗粒的制备及其在随机激光领域应用的研究

【摘要】:随机激光器(Random Laser)是一种新型激光器,它依靠无序结构对光子的多重散射实现激光发射。随机激光具有不需要谐振腔、结构简单等优点,受到研究者的广泛关注。但是目前随机激光存在散射强度低、阈值高等缺点,限制了其实际应用。因此,寻找新的随机激光体系并降低激光阈值是随机激光领域的一个重要研究方向。光子晶体(Photonic Crystal)是一种由不同介电常数材料周期排列形成的有序结构,其最突出的特性是具有光子带隙(对一定频域的光有强烈的反射)。本文提出一种新的随机激光体系,该体系由罗丹明6G的甲醇溶液和光子晶体颗粒组成,其中,光子晶体颗粒作为散射颗粒,测试该体系的光输出特性。论文取得的主要成果如下:(1)利用萃取辅助微乳液法制备了不同带隙的聚苯乙烯(PS)Opal球形光子晶体颗粒。表征结果表明:PS Opal光子晶体颗粒形貌为球形,PS微球排列成面心立方结构;样品的反射光谱具有明显反射峰,峰形窄而陡峭,说明其具有较高结晶质量。选取不同粒径的PS微球,可制备具有不同光子带隙位置的光子晶体颗粒。(2)利用液相沉积技术制备了不同带隙的TiO_2反Opal球形光子晶体颗粒。以PS Opal球形光子晶体颗粒作为模板,利用液相沉积技术在模板颗粒空隙间填充TiO_2颗粒,然后焙烧除去模板,得到TiO_2反opal结构。表征结果表明:TiO_2反opal光子晶体颗粒保持模板颗粒的球形形貌,并具有较高的结晶质量。(3)掺杂PS Opal球形光子晶体颗粒的染料体系的光输出特性研究。实验测量了含PS Opal球形光子晶体颗粒的罗丹明6G的甲醇溶液的随机激光输出特性。结果表明:以PS Opal球形光子晶体颗粒作为散射颗粒的染料体系能够输出随机激光;随机激光的阈值与光子带隙位置有关,当光子晶体颗粒的带隙中心波长位于泵浦光波长附近时,随机激光的阈值最低。掺杂光子晶体颗粒的染料体系输出随机激光的工作机理分析如下:球形光子晶体颗粒掺入染料体系作为散射颗粒,其光子带隙位置处于泵浦光波长附近,入射泵浦光经光子晶体颗粒多次反射形成光反馈,继而实现光放大。(4)掺杂TiO_2反Opal球形光子晶体颗粒的染料体系的光输出特性研究。实验测量了含TiO_2反Opal球形光子晶体颗粒的罗丹明6G的甲醇溶液的随机激光输出特性。结果表明:以TiO_2反Opal球形光子晶体颗粒作为散射颗粒的染料体系能够输出随机激光,随机激光的阈值与光子带隙位置有关;相较PS opal光子晶体颗粒,包含TiO_2反opal光子晶体颗粒的染料体系输出随机激光的阈值更低,这是因为构成反opal光子晶体的两种材料的折射率比值更高,光子晶体对频率落入光子带隙中的光具有更强的反射率。

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