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簡述微區光譜在納米激光器研究中的應用
閱讀：335 發布時間：2019-8-21
簡述微區光譜在納米激光器研究中的應用
由于在激光照明、全色域顯示，以及生物傳感等領域中的重要意義，能夠同時覆蓋可見波段且具有高強度寬帶輸出的納米激光器已經成為一個研究熱點。2017 年 8 月，中科院化學所趙永生教授課題組在 JACS 發表了一篇題為《All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers》的文章。
文章報道了一種采用染料摻雜的有機柔性材料，并結合銀納米線（AgNW）形成的亞波長尺度輸出的納米激光器（圖1）。這種激光器能夠覆蓋完整的可見光波段，并能夠實現多波長同時輸出，因此，文章一經報道便引起了極大關注。
【樣品 & 測試】作者采用了 有機微盤/銀納米線 異質結構的策略實現了全色域亞波長尺度輸出的納米激光器。這種異質結構由一個摻雜激光染料的高品質微盤作為 Whispering-gallery-mode (WGM) 激光共振腔，并嵌入 AgNW，通過表面等離子體的輔助將共振腔內的光學模式導出至納米線末端，終實現亞波長尺度的激光輻射。通過摻雜多種熒光染料，可實現全可見光波段的激光輻射調制及亞波長尺度的多波長輸出。
本文中納米激光器的大特點在于有機與金屬雜化的異質結構及其合成的制備方法。如 圖2A 所示，首先在襯底上形成 Polystyrene (PS)微盤。由于 PS 的柔性和可見波段良好的透光性，這種微盤結構可以構成高 Q 因子的 WGM 微腔。其次，在化學合成和液面揮發的過程中，約 170nm 直徑的 Ag 納米線通過分子力，緊密地連接在 PS 微盤上，改變水含量可以控制微盤的直徑。銀納米線與有機微盤的緊密結合是光學模式有效地從光學微腔傳導到納米線末端并輻射的基礎。
在異質結構中，染料摻雜的有機微盤起到了 WGM 光學增益腔的作用，銀納米線則起到了亞波長波導的作用。如 圖2B 所示，通過不同染料的摻雜，可以實現 400~700nm 不同波長的激射。通過微區 PL 光譜的研究，可以確定這種納米激光的閾值為 ~2.1μJ/cm?，通過計算可以知道，其品質因子約為 3047（579nm, 2.4μJ/cm?）。銀納米線的長度也影響了納米激光器在不同波段輻射的效率，如 圖2C 所示。在本文測試中，以復享光學成熟的 顯微光譜解決方案 為基礎而設計的 定制 PL 微區光譜系統 為有機/金屬微盤激光器的光譜測試提供了重要幫助，是納米激光器及相關微納光子學器件檢測的基本手段。
【總結】綜上所述，文章作者開發了一種有機微盤/銀納米線的異質結構，實現了全色域亞波長輸出的 WGM 納米激光器。該納米激光器的閾值達到了 ~2.1μJ/cm?，品質因子約為 3047，并可實現 400~700nm 范圍內的波長調節。由復享光學提供的 PL 微區光譜系統在納米激光器的研究中起到了關鍵作用，實現了微區“定點激發”和“定點接收”的光譜測量功能。▌
【參考文獻】
Zhao, Yongsheng, et al. "All-Color Subwavelength Output of Organic Flexible Microlasers." JACS 139.33 (2017): 11329-11332. Link