[发明专利]一种掺染料和金属纳米粒子的PDLC光纤及其光纤随机激光器

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及可调控的掺染料和金属纳米粒子的PDLC光纤及其光纤随机激光器。

背景技术

近年来，随机激光已经成为国际激光学界的热门研究领域。随机激光辐射源自激活无序介质，通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈，从而获得较大的增益，无需外加谐振腔。随机激光由于独特的物理机制和在光电子和生物医学方面的潜在应用而吸引了越来越多的关注。许多有源和无源材料能够被用来产生随机激光，例如：ZnO粉末，聚合物，染料掺杂液晶，染料掺杂聚合物分散液晶。最近几年，研究发现金属纳米结构体能够极大增强半导体量子阱，稀土，染料的自发辐射率，这是由于辐射中心和金属表面等离子之间的相互共振所影响。利用这些特点，一些研究者报道了随机激光器是由金属纳米颗粒产生的非相干辐射。他们观察到了辐射谱的窄化和辐射强度的增强。这是非相干随机激光器的典型特征。

聚合物分散液晶(PDLC)是将低分子液晶（liquidcrystal，缩写为LC)与预聚物相混合，在一定条件下经聚合反应，形成微米级或纳米级的液晶微滴均匀地分散在高分子网络中，再利用液晶分子的介电各向异性获得具有电光响应特性的材料，它主要工作在散射态和透明态之间并具有一定的灰度。聚合物分散液晶膜是将液晶和聚合物结合得到的一种综合性能优异的膜材料。液晶分子赋予了聚合物分散液晶膜显著的电光特性，使其受到了广泛的关注，并有着广阔的应用前景。聚合物分散液晶（PDLC）材料已经在可调窗口，平板显示和可调谐布拉格光栅等领域被广泛研究及应用。通用的形成PDLC结构的方法是用光引发聚合包含反应性单聚体和液晶（LC）分子的均匀混合物。这些预聚物一般是无溶剂，低粘度。LC液滴的尺寸取决于LC的浓度以及固化辐射光的强度。通常聚合物的折射率n_p被调制为接近于液晶的寻常折射率n₀。无加载电压时，液晶分子形成随机分布的液滴，即在液晶分子和聚合物接触面形成折射率差，这引起在PDLCs中的光散射。一旦加上电压，液晶分子的轴向将会沿着电场的方向排布，液晶分子与聚合物由于折射率差形成的散射将消失。

然而，金属纳米粒子作为在染料掺杂液晶或者聚合物分散液晶随机激光器中的散射颗粒很少被关注。很少有人做增益随机介质是由三种不同材料（聚合物分散液晶，金属粒子和染料）的实验，这些材料可以增强多重散射和光增益。而这种增益介质还没有应用于空心光纤中。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种掺染料和金属纳米粒子的聚合物分散液晶PDLC光纤，其包括：空心光纤，空心光纤内固化的掺染料和金属纳米粒子的PDLC聚合物，空心光纤外表面沿轴向镀有氧化铟锡ITO导电层，其特征在于：

所述空心光纤外层采用真空磁控溅射法形成与光纤内径等宽的ITO导电层；将聚合物分散液晶PDLC与激光染料和金属纳米粒子的乙醇溶液以一定质量比制成均相溶液，以毛细孔效应吸入所述空心光纤，经过光照固化填充满所述空心光纤内径使得聚合物折射率大于光纤折射率；通过ITO导电层接正负电压形成电场改变液晶分子轴向，控制随机激光输出。

其中，所述空心光纤内径为市售8μm至1000μm空心光纤。

其中，用丙酮超声或用浓酸腐蚀光纤外层保护树脂，将光纤嵌入高精度玻璃模板中采用真空磁控溅射法形成ITO导电层，导电层与光纤内径等宽。

其中，用于在空心光纤内固化的掺染料和金属粒子的聚合物分散液晶PDLC溶液是将三羟甲基丙烷三丙烯酸酯单体；N-乙烯基吡咯烷酮；玫瑰红；N-苯基甘氨酸；辛酸；液晶；激光染料；金属纳米粒子乙醇溶液以一定质量分数比混合加热遮光搅拌2小时,使混合均匀，形成的均相溶液，均相溶液中各组分所占质量分数范围为：三羟甲基丙烷三丙烯酸酯40.00wt%至50.00wt%；N-乙烯基吡咯烷酮5.00wt%至10.00wt%；玫瑰红0.10wt%至1.00wt%；N-苯基甘氨酸5.00wt%至10.00wt%；辛酸5.00wt%至10.00wt%；液晶30.00wt%至40.00wt%；激光染料1.00wt%至2.00wt%；金属纳米粒子乙醇溶液1.00wt%至3.00wt%。

其中，选用的金属纳米粒子能够对选用的激光染料有表面等离激元共振荧光增强。

其中，所述聚合物均相溶液通过毛细效应吸入空心光纤，之后通过紫外固化灯或Nd:YAG激光器进行光照固化。

其中，所述空心光纤内固化聚合物折射率大于光纤折射率。