本發(fā)明涉及一種隨機(jī)激光器，特別涉及一種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器及其激光增益介質(zhì)的制作方法，屬于隨機(jī)激光器技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

近些年來，隨機(jī)激光器已成為光學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的熱門研究方向。隨機(jī)激光器在激光顯示、疾病診斷、信息處理、編碼標(biāo)記、集成光學(xué)等諸多方面均具有廣泛的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)激光器主要包括增益介質(zhì)、諧振腔和泵浦系統(tǒng)。諧振腔通常由兩塊反射鏡組成，能夠產(chǎn)生相干反饋，光在兩塊反射鏡之間來回反射，并被放大，直到光束形成。然而，隨機(jī)激光器則無需反射鏡即可工作。對(duì)于傳統(tǒng)的激光器，在工作中應(yīng)盡可能避免散射，而隨機(jī)激光器則與此截然相反，它是利用光波的多重散射形成激光。所以，這種激光器的物理機(jī)制完全不同于傳統(tǒng)的激光器，它的這種特殊發(fā)光機(jī)制使其具有一些獨(dú)特的發(fā)光特性。

早在1966年，前蘇聯(lián)科學(xué)家Basov等人采用散射平面替代傳統(tǒng)激光諧振腔的一個(gè)反射鏡，從而構(gòu)成一種可提供非諧振反饋的激光諧振腔。他們還預(yù)言了在無序結(jié)構(gòu)中通過散射提供正反饋，從而實(shí)現(xiàn)光放大。1968年，Letokhov等人首次理論計(jì)算了隨機(jī)增益介質(zhì)中的光放大行為。1994年，美國(guó)布朗大學(xué)Lawandy教授首次從實(shí)驗(yàn)上報(bào)道了含有二氧化鈦納米散射顆粒的染料溶液實(shí)現(xiàn)受激輻射放大。1999年，美國(guó)西北大學(xué)Hui Cao教授等人通過納米氧化鋅顆粒實(shí)現(xiàn)了相干隨機(jī)激光輸出。相比于傳統(tǒng)激光器，隨機(jī)激光器是一類新穎的微腔激光器。它不需要精密設(shè)計(jì)的激光諧振腔，而是通過散射來提供光反饋，因此，隨機(jī)激光器具有制備簡(jiǎn)便、成本低廉的特點(diǎn)。

長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所在2008年采用水熱法在ITO玻璃上合成氧化鋅納米棒，并利用氧化鋅納米棒作為散射顆粒制備了隨機(jī)激光增益介質(zhì)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光輸出。在該隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制備過程中，首先將氧化鋅納米顆粒均勻涂覆在ITO玻璃上，接著在水環(huán)境下水熱生長(zhǎng)氧化鋅納米棒，最后將[4—氰甲烯基—2—叔丁基—6—(1，1，7，7—四甲基久洛尼定基—9—烯炔基—4H—吡喃)]摻雜的聚苯乙烯旋涂在氧化鋅納米棒上。該方法制備氧化鋅納米棒需要提前旋轉(zhuǎn)涂覆一層氧化鋅納米顆粒作為晶種，其過程相當(dāng)繁瑣；同時(shí)還需要使用有毒化學(xué)試劑硝酸鋅和六亞甲基四胺。因此，本課題組提出一種過程更為簡(jiǎn)單的、無毒的水熱氧化法來制備氧化鋅納米棒散射顆粒的方法，并基于此氧化鋅納米棒來制備隨機(jī)激光增益介質(zhì)，同時(shí)構(gòu)建隨機(jī)激光器，這也正是本發(fā)明的任務(wù)所在。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的正是為克服現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷和不足，提出一種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)，以及提供一種制作隨機(jī)激光器的方法。其制作方法是在鋅金屬薄片上直接生長(zhǎng)氧化鋅納米棒作為散射顆粒以實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光輸出。該隨機(jī)激光器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便、成本低廉以及環(huán)境友好的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)措施構(gòu)成的技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明所述一種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器，包括泵浦激光器、反射鏡、柱透鏡；按照本發(fā)明，還包括基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)；所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)由鋅金屬薄片、微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)、氧化鋅納米棒、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜和若丹明6G組成；所述泵浦激光器發(fā)出的泵浦光經(jīng)過反射鏡反射到柱透鏡，柱透鏡將泵浦光聚焦到基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)上；當(dāng)泵浦光輻照基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)時(shí)，基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)中的若丹明6G分子吸收泵浦光能量，輻射出熒光，同時(shí)基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)中的鋅金屬薄片表面均勻分散的氧化鋅納米棒提供散射和光反饋，從而隨機(jī)激光器獲得激光輸出；隨機(jī)激光器輸出的激光光譜采用光纖光譜儀探頭進(jìn)行探測(cè)。

上述方案中，所述氧化鋅納米棒平均長(zhǎng)度為1μm，平均直徑為150nm，這能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)隨機(jī)激光輸出提供強(qiáng)烈的散射和足夠的反饋。

上述方案中，所述泵浦激光器優(yōu)選脈沖Nd:YAG激光器。

本發(fā)明所述一種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制作方法，包括以下工藝步驟：

(1)量取濃鹽酸于容量瓶中，再加入去離子水，將濃鹽酸配制成1mol/L的稀鹽酸溶液；

(2)將鋅金屬薄片置于無水乙醇中，超聲清洗干凈，然后采用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的無水乙醇吹干；再將吹干了無水乙醇的鋅金屬薄片置于丙酮中，超聲清洗干凈，同樣采用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的丙酮吹干；

(3)將步驟(2)清洗干凈的鋅金屬薄片置于步驟(1)配制好的稀鹽酸溶液中，并反應(yīng)0.5-3分鐘，在鋅金屬薄片表面獲得微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)；再使用去離子水將鋅金屬薄片表面的稀鹽酸清洗干凈；

(4)將步驟(3)處理過的鋅金屬薄片置于去離子水中，其反應(yīng)溫度為85-95℃，反應(yīng)1-12小時(shí)后，在鋅金屬薄片表面獲得均勻分布的氧化鋅納米棒；再將鋅金屬薄片置于85-95℃烘箱中，干燥1-4小時(shí)；

(5)稱取若丹明6G于容量瓶中，加入無水乙醇，配制成2.0×10^-3mol/L的若丹明6G乙醇染料溶液；再稱取聚甲基丙烯酸甲酯于燒瓶中，加入丙酮，攪拌溶解，配制成100mg/ml的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液；

(6)移取配制好的若丹明6G乙醇染料溶液置于所配制的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液中，配制成濃度為5×10^-4mol/L的若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液，攪拌均勻；

(7)將步驟(6)配制好的若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在表面均勻分布著氧化鋅納米棒的鋅金屬薄片上，獲得若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜；將旋轉(zhuǎn)涂覆有若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜的鋅金屬薄片置于65-75℃烘箱中，干燥1-4小時(shí)，即制得基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)。

上述方案中，步驟(6)所述將若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在氧化鋅納米棒的鋅金屬薄片上，其旋轉(zhuǎn)涂覆的轉(zhuǎn)速為2000rpm，涂覆時(shí)間為10-30秒。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下特點(diǎn)及有益的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明采用水熱氧化法在鋅金屬薄片上直接均勻生長(zhǎng)氧化鋅納米棒來作為隨機(jī)激光增益介質(zhì)的散射顆粒，這一過程不需要使用有毒的硝酸鋅和六亞甲基四胺，也不需要涂覆一層氧化鋅納米顆粒作為晶種，因此本發(fā)明相比于現(xiàn)有的水熱法制備氧化鋅納米棒是一種更為簡(jiǎn)易的、廉價(jià)的以及無毒的制備方法。

2、本發(fā)明所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)采用水熱氧化法直接在鋅金屬薄片上均勻生長(zhǎng)的氧化鋅納米棒作為散射顆粒；所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)采用旋轉(zhuǎn)涂覆法將若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在表面均勻分布著氧化鋅納米棒的鋅金屬薄片上，作為隨機(jī)激光器的隨機(jī)激光增益介質(zhì)。

3、本發(fā)明采用鋅金屬薄片表面均勻分布的氧化鋅納米棒作為散射顆粒，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)激光輸出，且具有閾值低的特點(diǎn)。

4、本發(fā)明制作的隨機(jī)激光器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作方便，且具有成本低廉以及環(huán)境友好的特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器的光路示意圖；

圖2是圖1中基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2中基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制備流程圖；

圖4是本發(fā)明基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器的發(fā)射光譜隨著泵浦能量的變化。

圖中，1、泵浦激光器，2、反射鏡，3、柱透鏡，4、基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)，5、光纖光譜儀探頭，6、鋅金屬薄片，7、微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)，8、氧化鋅納米棒，9、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜，10、若丹明6G。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖并用具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但并不意味著是對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的任何限定。

本發(fā)明所述一種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器，如圖1所示：包括泵浦激光器1、反射鏡2、柱透鏡3；還包括基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4；所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4由鋅金屬薄片6、微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)7、鋅金屬薄片表面均勻分散的氧化鋅納米棒8、覆蓋在氧化鋅納米棒上的聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9和若丹明6G 10組成；如圖2所示。所述泵浦激光器1發(fā)射的泵浦光經(jīng)過反射鏡2被反射到柱透鏡3，柱透鏡3將泵浦光聚焦，然后輻照基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4；當(dāng)泵浦光輻照基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4時(shí)，基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)中的若丹明6G 10分子吸收泵浦光能量，輻射出熒光，同時(shí)基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)中的鋅金屬薄片表面均勻分散的氧化鋅納米棒8提供散射和光反饋，從而實(shí)現(xiàn)隨機(jī)激光輸出。隨機(jī)激光器輸出的激光光譜采用光纖光譜儀探頭5進(jìn)行探測(cè)。

基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制備流程圖如圖3所示。其制作過程是：首先使用無水乙醇、丙酮依次對(duì)鋅金屬薄片6表面進(jìn)行超聲清洗，然后使用配制好的稀鹽酸腐蝕鋅金屬表面，從而獲得微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)7，接著采用水熱氧化法在鋅金屬表面生長(zhǎng)氧化鋅納米棒8，最后將若丹明6G 10摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在表面具有氧化鋅納米棒8的鋅金屬薄片6上，最后得到基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4。

所述氧化鋅納米棒8在基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4中作為散射顆粒，聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9作為基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4的基質(zhì)，若丹明6G 10作為基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4的激光染料。

所述聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9所選用的聚甲基丙烯酸甲酯是一種高分子化合物，具有優(yōu)異的光穩(wěn)定性、高透明度和成本低廉的特點(diǎn)。

實(shí)施例1

本實(shí)例所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制作方法。

按照前面所述制作基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的方法步驟進(jìn)行制作，其具體操作流程如圖3所示，包括以下操作步驟：

(1)量取8.33ml濃鹽酸于容量瓶中，加入去離子水，配制成1mol/L的稀鹽酸溶液，待用；

(2)將厚度為1mm的鋅金屬薄片6裁剪成長(zhǎng)為25mm，寬為15mm的長(zhǎng)方形薄片；將所述長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于無水乙醇中，超聲清洗30min，然后用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的無水乙醇吹干；

(3)將步驟(2)所述用無水乙醇清洗后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于丙酮中，超聲清洗30min，然后用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的丙酮吹干；

(4)將步驟(2)和步驟(3)分別經(jīng)無水乙醇-丙酮清洗后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于步驟(1)制備好的稀鹽酸溶液中，反應(yīng)0.5min，在鋅金屬薄片表面獲得微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)7，然后用去離子水將鋅金屬薄片表面的稀鹽酸清洗干凈；

(5)將上述所述經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸處理過的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片置于去離子水中，反應(yīng)溫度為85℃，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)，在鋅金屬薄片表面獲得均勻分散的氧化鋅納米棒8；再將經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸-水熱氧化反應(yīng)處理過的表面均勻分散有氧化鋅納米棒的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片置于85℃烘箱中，干燥1小時(shí)；

(6)稱取47.9mg若丹明6G 10于50ml容量瓶中，加入無水乙醇，配制成2.0×10^-3mol/L的若丹明6G乙醇溶液；稱取6.0g聚甲基丙烯酸甲酯于100ml圓底燒瓶中，加入60ml丙酮，攪拌溶解，配制成100mg/ml的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液；再移取0.675ml若丹明6G乙醇溶液于所配制的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液中，并攪拌均勻，相對(duì)于聚甲基丙烯酸甲酯，在若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液中，若丹明6G的濃度為5×10^-4mol/L；

(7)將步驟(6)配制的若丹明6G 10摻雜聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸-水熱氧化反應(yīng)處理后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6上，其轉(zhuǎn)速為2000rpm，涂覆時(shí)間為10s；得到若丹明6G摻雜聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9，再將所述若丹明6G摻雜聚甲基丙烯酸甲酯薄膜覆蓋在經(jīng)處理過的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片上，并置于65℃烘箱中，干燥1小時(shí)，最后獲得基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

實(shí)施例2

所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的制作方法。

按照前面所述制作基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)的方法步驟進(jìn)行制作，其具體操作流程如圖3所示，包括以下操作步驟：

(1)量取8.33ml濃鹽酸于容量瓶中，加入去離子水，配制成1mol/L的稀鹽酸溶液，待用；

(2)將厚度為1mm的鋅金屬薄片6裁剪成長(zhǎng)為25mm，寬為15mm的長(zhǎng)方形薄片；將所述長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于無水乙醇中，超聲清洗30min，然后用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的無水乙醇吹干；

(3)將步驟(2)所述用無水乙醇清洗后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于丙酮中，超聲清洗30min，然后用氮?dú)鈱\金屬薄片表面的丙酮吹干；

(4)將步驟(2)和步驟(3)分別經(jīng)無水乙醇-丙酮清洗后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6置于步驟(1)制備好的稀鹽酸溶液中，反應(yīng)3min，在鋅金屬薄片表面獲得微米級(jí)鋅金屬結(jié)構(gòu)7，然后用去離子水將鋅金屬薄片表面的稀鹽酸清洗干凈；

(5)將上述所述經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸處理過的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片置于去離子水中，反應(yīng)溫度為95℃，反應(yīng)時(shí)間為4小時(shí)，在鋅金屬薄片表面獲得均勻分散的氧化鋅納米棒8，再將經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸-水熱氧化反應(yīng)處理過的表面均勻分散有氧化鋅納米棒的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片置于95℃烘箱中，干燥4小時(shí)；

(6)稱取47.9mg若丹明6G 10于50ml容量瓶中，加入無水乙醇，配制成2.0×10^-3mol/L的若丹明6G乙醇溶液；稱取6.0g聚甲基丙烯酸甲酯于100ml圓底燒瓶中，加入60ml丙酮，攪拌溶解，配制成100mg/ml的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液；再移取0.675ml若丹明6G乙醇溶液于所配制的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液中，并攪拌均勻，相對(duì)于聚甲基丙烯酸甲酯，在若丹明6G摻雜的聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液中，若丹明6G的濃度為5×10^-4mol/L；

(7)將步驟(6)配制的若丹明6G 10摻雜聚甲基丙烯酸甲酯丙酮溶液旋轉(zhuǎn)涂覆在經(jīng)無水乙醇-丙酮-稀鹽酸-水熱氧化反應(yīng)處理后的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片6上，其轉(zhuǎn)速為2000rpm，涂覆時(shí)間為30s；得到若丹明6G摻雜聚甲基丙烯酸甲酯薄膜9，再將所述若丹明6G摻雜聚甲基丙烯酸甲酯薄膜覆蓋在經(jīng)處理過的長(zhǎng)方形鋅金屬薄片上，并置于75℃烘箱中，干燥4小時(shí)，最后獲得基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

實(shí)施例3

本實(shí)施例將所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4用于隨機(jī)激光器的搭建。

本實(shí)施例中所述泵浦激光器1選用Nd:YAG激光器，泵浦波長(zhǎng)為532nm，頻率為10Hz,脈寬為10ns；所述反射鏡2選用532nm反射鏡；所述柱透鏡3選用焦距為10mm的柱透鏡；所述光纖光譜儀探頭5選用海洋光學(xué)USB4000光譜儀，其光學(xué)分辨率為1.5nm。

按照?qǐng)D1所示的基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器的光路示意圖，搭建好各元器件。將反射鏡2的取向調(diào)節(jié)為與水平方向呈45°；將柱透鏡3水平置于距反射鏡30mm處；將制作好的基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4水平置于距柱透鏡3 10mm處；將光纖光譜儀探頭5置于距基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)4的斷面2mm處，且與水平方向呈10°。

所述基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光器的發(fā)射光譜與泵浦能量之間的關(guān)系如圖4所示。當(dāng)泵浦能量低于激光閾值時(shí)，發(fā)射光譜只表現(xiàn)出寬的自發(fā)輻射放大，沒有出現(xiàn)尖銳的激光發(fā)射峰，如圖4中的曲線a和b所示；當(dāng)泵浦能量高于激光閾值時(shí)，在發(fā)射光譜上出現(xiàn)狹窄的激光發(fā)射峰，如圖4中的c、d和e所示。

本發(fā)明給出的基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)以及隨機(jī)激光器的搭建的實(shí)施例僅給出了具體的應(yīng)用例子，但對(duì)于從事本領(lǐng)域的研究人員而言，還可根據(jù)以上啟示設(shè)計(jì)出多種基于氧化鋅納米棒的隨機(jī)激光增益介質(zhì)以及搭建隨機(jī)激光器，這仍被認(rèn)為涵蓋于本發(fā)明之中。