本發(fā)明屬于激光制備，特別涉及一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，由于膠體量子點(diǎn)(qds)具有廉價(jià)、可以通過尺寸以及組分調(diào)諧發(fā)射波長(zhǎng)等特性，在顯示、成像、激光等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。qds具有原子化的分立能級(jí)，作為激光增益介質(zhì)時(shí)較少受到熱擾動(dòng)影響。

2、自從2000年首次在qds薄膜中觀測(cè)到自發(fā)輻射放大(ase)后，經(jīng)過20多年發(fā)展，最近連續(xù)光泵浦激光以及電致ase已經(jīng)取得成功，預(yù)示著qds激光已經(jīng)接近實(shí)用化。出現(xiàn)激光的前提條件是，強(qiáng)的激光增益往往要求量子點(diǎn)處于多激子而非單激子激發(fā)態(tài)，由于量子點(diǎn)材料體積小，量子限域效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致多激子以俄歇效應(yīng)，而非激光增益形式損耗，其多激子激發(fā)態(tài)壽命極短，換言之，其多激子有效增益時(shí)間極短，在量子點(diǎn)薄膜中，量子點(diǎn)材料緊密排布，距離近，輻射光與激發(fā)態(tài)增益材料之間相互作用相對(duì)幾率更高，因此，在薄膜材料里相對(duì)更容易產(chǎn)生激光。由于薄膜是固態(tài)物質(zhì)，其熱擴(kuò)散慢，不易開展熱管理工程，激光誘導(dǎo)的熱損傷效應(yīng)極大限制了激光器輸出強(qiáng)度。與之形成鮮明對(duì)比的是，溶液相激光增益介質(zhì)，其優(yōu)異的熱擴(kuò)散性能，使得其成為更高能量激光的不二之選。

3、目前，已經(jīng)有多種方法能有效抑制俄歇速率，例如設(shè)計(jì)核殼異質(zhì)結(jié)等。然而，這種改良主要在cdse以及pb基鈣鈦礦體系開展，它們含有cd、pb等重金屬，不利于實(shí)用化。此外，cdse?qds由于體相帶隙較窄，在波長(zhǎng)＞500nm時(shí)產(chǎn)生ase較為容易，在綠光或者紅光區(qū)間表現(xiàn)較好，而藍(lán)光區(qū)間因?yàn)榱孔酉抻蛐?yīng)過于強(qiáng)烈，俄歇速率較難抑制，因此目前性能優(yōu)異的cdse/cdznse/znsecg?qds并未擴(kuò)展到藍(lán)光區(qū)間。少數(shù)一些報(bào)道通過合成合金化的zncdseqds拓寬帶隙，但依舊有毒性問題。為了使得qds激光更加實(shí)用化，發(fā)展高性能低毒性藍(lán)光qds至關(guān)重要。

4、znse(te)qds不含有重金屬，并且體相帶隙(znse:2.7ev，znte:2.25ev)較寬，是一類環(huán)境友好的藍(lán)光qds，廣泛應(yīng)用于qled領(lǐng)域，但在激光領(lǐng)域報(bào)道較少。抑制其俄歇損耗的同時(shí)，其增益激發(fā)態(tài)壽命得到顯著提升，此時(shí)量子點(diǎn)之間的致密排列就不再是必要條件，基于此材料的溶液相激光，也就成為了可能。

5、經(jīng)典的藍(lán)色溶液相激光，利用有機(jī)分子作為激光增益介質(zhì)，其優(yōu)缺點(diǎn)十分鮮明。優(yōu)點(diǎn)是：激光設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，增益介質(zhì)容易獲得；缺點(diǎn)是：增益介質(zhì)容易損毀，出現(xiàn)不穩(wěn)定。尤其是在400-450nm的藍(lán)色激光波段，由于其激發(fā)光處于光子高能量的紫外波段，激光增益介質(zhì)極易出現(xiàn)光照損傷，導(dǎo)致激光輸出不穩(wěn)定，這極大限制了傳統(tǒng)溶液相藍(lán)色激光的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置和方法，以解決傳統(tǒng)溶液相藍(lán)色激光，利用有機(jī)分子作為激光增益介質(zhì)，增益介質(zhì)容易損毀，導(dǎo)致激光輸出不穩(wěn)定的問題。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明一方面提供一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，包括激光腔及設(shè)置于激光腔內(nèi)的泵浦光源、柱面透鏡、溶液相增益介質(zhì)、模式調(diào)節(jié)器、高反射鏡及衍射光柵，其中高反射鏡、溶液相增益介質(zhì)、模式調(diào)節(jié)器和衍射光柵沿光路依次設(shè)置，泵浦光源設(shè)置于溶液相增益介質(zhì)的一側(cè)，柱面透鏡設(shè)置于泵浦光源和溶液相增益介質(zhì)之間，柱面透鏡用于將泵浦光源發(fā)射的泵浦光聚焦照射溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)發(fā)出的光束向兩側(cè)傳播，高反射鏡使入射光束沿原路返回；模式調(diào)節(jié)器用于透射矢量空間頻率為零的光束；衍射光柵使一級(jí)衍射光沿著原路返回激光腔內(nèi)，該返回光束在激光腔內(nèi)往復(fù)反射被不斷增益，零級(jí)衍射光作為激光腔的出射光。

4、所述溶液相增益介質(zhì)為鋅基低毒性量子點(diǎn)，鋅基低毒性量子點(diǎn)為znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)。

5、所述znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核znse的直徑是1-10nm，過渡層znses為漸變合金層，漸變合金層的厚度為1-10nm，外殼zns的厚度為1-10nm。

6、所述鋅基低毒性量子點(diǎn)的第一激子吸收峰為400nm-450nm，量子點(diǎn)溶液的濃度為1-1000μmol/l。

7、所述znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)的鋅基低毒性量子點(diǎn)的合成方式為：首先合成油酸鋅，隨后合成znse量子點(diǎn)核，且znse量子點(diǎn)核提純后，在znse量子點(diǎn)核外層生長(zhǎng)包殼，合成znse/znses/zns核殼量子點(diǎn)。

8、所述模式調(diào)節(jié)器包括沿光路依次設(shè)置的短焦距透鏡、光學(xué)小孔及長(zhǎng)焦距透鏡，光學(xué)小孔位于短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡之間的共同焦點(diǎn)處；短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡組成開普勒式擴(kuò)束裝置，由放置于共同焦點(diǎn)處的光學(xué)小孔進(jìn)行空間濾波。

9、所述泵浦光源的波長(zhǎng)處于所述溶液相增益介質(zhì)吸收波長(zhǎng)帶寬內(nèi)，所述泵浦光源通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)度，把光能量注入所述溶液相增益介質(zhì)內(nèi)。

10、所述柱面透鏡將所述泵浦光源的光束聚焦成長(zhǎng)條狀，并照射所述溶液相增益介質(zhì)，所述溶液相增益介質(zhì)裝在比色皿中，調(diào)解比色皿角度，使得聚焦的長(zhǎng)條狀光束的長(zhǎng)軸方向上的比色皿側(cè)壁與長(zhǎng)條狀光束的長(zhǎng)軸成布魯斯特角，所述溶液相增益介質(zhì)發(fā)出的光束向兩側(cè)傳播。

11、本發(fā)明另一方面提供一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的方法，該方法利用如上所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置實(shí)現(xiàn)，該方法為：柱面聚焦鏡將泵浦光源發(fā)送的光束聚焦成長(zhǎng)條光斑后，聚焦照射溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)一側(cè)發(fā)出的光束入射高反射鏡，高反射鏡使入射光原路返回至增溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)另外一側(cè)出光入射至模式調(diào)節(jié)器，模式調(diào)節(jié)器進(jìn)行空間濾波，且使光束入射衍射光柵，衍射光柵使得一級(jí)衍射光沿著入射光軸原路返回激光腔，零級(jí)衍射光作為激光輸出。

12、通過調(diào)節(jié)所述衍射光柵角度，調(diào)節(jié)激光輸出波長(zhǎng)；通過調(diào)節(jié)所述泵浦光源的能量，調(diào)節(jié)輸出激光能量；通過調(diào)節(jié)所述模式調(diào)節(jié)器的光孔大小，調(diào)節(jié)輸出激光線寬。

13、本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果是：本發(fā)明提供的一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置和方法，使用鋅基低毒性量子點(diǎn)抑制了俄歇效應(yīng)，提高了有效激光增益時(shí)間至納秒量級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)了溶液相激光輸出，具有通過優(yōu)異熱擴(kuò)散性能帶來的高穩(wěn)定輸出、參數(shù)易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)特征：

1.一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，包括激光腔及設(shè)置于激光腔內(nèi)的泵浦光源、柱面透鏡、溶液相增益介質(zhì)、模式調(diào)節(jié)器、高反射鏡及衍射光柵，其中高反射鏡、溶液相增益介質(zhì)、模式調(diào)節(jié)器和衍射光柵沿光路依次設(shè)置，泵浦光源設(shè)置于溶液相增益介質(zhì)的一側(cè)，柱面透鏡設(shè)置于泵浦光源和溶液相增益介質(zhì)之間，柱面透鏡用于將泵浦光源發(fā)射的泵浦光聚焦照射溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)發(fā)出的光束向兩側(cè)傳播，高反射鏡使入射光束沿原路返回；模式調(diào)節(jié)器用于透射矢量空間頻率為零的光束；衍射光柵使一級(jí)衍射光沿著原路返回激光腔內(nèi)，該返回光束在激光腔內(nèi)往復(fù)反射被不斷增益，零級(jí)衍射光作為激光腔的出射光。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述溶液相增益介質(zhì)為鋅基低毒性量子點(diǎn)，鋅基低毒性量子點(diǎn)為znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)中，內(nèi)核znse的直徑是1-10nm，過渡層znses為漸變合金層，漸變合金層的厚度為1-10nm，外殼zns的厚度為1-10nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述鋅基低毒性量子點(diǎn)的第一激子吸收峰為400nm-450nm，量子點(diǎn)溶液的濃度為1-1000μmol/l。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述znse/znses/zns核殼結(jié)構(gòu)的鋅基低毒性量子點(diǎn)的合成方式為：首先合成油酸鋅，隨后合成znse量子點(diǎn)核，且znse量子點(diǎn)核提純后，在znse量子點(diǎn)核外層生長(zhǎng)包殼，合成znse/znses/zns核殼量子點(diǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述模式調(diào)節(jié)器包括沿光路依次設(shè)置的短焦距透鏡、光學(xué)小孔及長(zhǎng)焦距透鏡，光學(xué)小孔位于短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡之間的共同焦點(diǎn)處；短焦距透鏡和長(zhǎng)焦距透鏡組成開普勒式擴(kuò)束裝置，由放置于共同焦點(diǎn)處的光學(xué)小孔進(jìn)行空間濾波。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述泵浦光源的波長(zhǎng)處于所述溶液相增益介質(zhì)吸收波長(zhǎng)帶寬內(nèi)，所述泵浦光源通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)度，把光能量注入所述溶液相增益介質(zhì)內(nèi)。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置，其特征在于，所述柱面透鏡將所述泵浦光源的光束聚焦成長(zhǎng)條狀，并照射所述溶液相增益介質(zhì)，所述溶液相增益介質(zhì)裝在比色皿中，調(diào)解比色皿角度，使得聚焦的長(zhǎng)條狀光束的長(zhǎng)軸方向上的比色皿側(cè)壁與長(zhǎng)條狀光束的長(zhǎng)軸成布魯斯特角，所述溶液相增益介質(zhì)發(fā)出的光束向兩側(cè)傳播。

9.一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的方法，其特征在于，利用權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置實(shí)現(xiàn)，該方法為：柱面聚焦鏡將泵浦光源發(fā)送的光束聚焦成長(zhǎng)條光斑后，聚焦照射溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)一側(cè)發(fā)出的光束入射高反射鏡，高反射鏡使入射光原路返回至增溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)另外一側(cè)出光入射至模式調(diào)節(jié)器，模式調(diào)節(jié)器進(jìn)行空間濾波，且使光束入射衍射光柵，衍射光柵使得一級(jí)衍射光沿著入射光軸原路返回激光腔，零級(jí)衍射光作為激光輸出。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的方法，其特征在于，通過調(diào)節(jié)所述衍射光柵角度，調(diào)節(jié)激光輸出波長(zhǎng)；通過調(diào)節(jié)所述泵浦光源的能量，調(diào)節(jié)輸出激光能量；通過調(diào)節(jié)所述模式調(diào)節(jié)器的光孔大小，調(diào)節(jié)輸出激光線寬。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于激光制備技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種使用鋅基低毒性量子點(diǎn)產(chǎn)生液體激光的裝置和方法。該裝置包括激光腔及沿光路依次設(shè)置于激光腔內(nèi)的高反射鏡、溶液相增益介質(zhì)、模式調(diào)節(jié)器及衍射光柵，柱面透鏡和泵浦光源設(shè)置于溶液相增益介質(zhì)的一側(cè)，柱面透鏡用于將泵浦光聚焦照射溶液相增益介質(zhì)，溶液相增益介質(zhì)發(fā)出的光束向兩側(cè)傳播，高反射鏡使入射光束沿原路返回；模式調(diào)節(jié)器用于透射矢量空間頻率為零的光束；衍射光柵使一級(jí)衍射光沿著原路返回激光腔內(nèi)，該返回光束在激光腔內(nèi)往復(fù)反射被不斷增益，零級(jí)衍射光作為激光腔的出射光。本發(fā)明提高了有效激光增益時(shí)間至納秒量級(jí)，因此實(shí)現(xiàn)了溶液相激光輸出，具有高穩(wěn)定輸出、參數(shù)易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：吳凱豐,藺煦陽,楊陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19