论文部分内容阅读
微纳激光器是一类具有微米或纳米量级器件尺寸或模式体积的激光器,是纳米科技与激光理论结合产生的前沿领域,在信息通讯、生物传感等重要领域有着广泛应用。新颖激光材料的开发极大推进了微纳激光器的发展,帮助人们设计并实现了多种以激光功能为核心的光子学器件。有机材料具有灵活的分子间和分子内相互作用以及良好的掺杂性,为微纳激光器的设计提供了可观的光学增益和丰富的激发态过程。更重要的是,分子间的弱相互作用赋予了有机材料优异的机械柔韧性,使其在可穿戴、交互式光子学器件领域展现出了巨大的发展潜力。然而,有机微纳激光器的研究仍处于相对初级的探索阶段,在有机微纳激光器的构筑和应用方面缺乏设计性和针对性。有机体系中结构与功能的关系,特别是其中材料柔性与激光性能之间的关系相对复杂,目前仍缺少一套适用于有机柔性材料的研究方案来理性设计和构筑有机微纳激光器。 基于以上认识,本文以所需的激光功能为导向,设计并选择合适的有机柔性材料,开发合理的液相自组装方法,可控构筑理想的有机微纳结构,探究有机体系中材料柔性与组装行为的关系;结合有机材料特有的光物理与光化学机制,探索并实现了新颖的激光功能,包括全色亚波长相干光源和耦合微环激光器,展现了一套具有高度设计性的研究路线。主要研究内容如下: (1)利用有机聚合物良好的加工柔性和可掺杂特性,我们开发了一种毛细作用力辅助的自组装方法,成功将有机微盘与银纳米线复合成一种异质结构,实现了全色激光的亚波长输出。复合微盘可作为具有回音壁模式的激光光源,为集成器件提供了一个理性的信号源。表面光滑的银纳米线可承载表面等离子激元(SPP),可在亚波长尺度下有效输出激光模式,并在传输过程中保持激光信号的各项光学属性不变。利用有机材料的柔性,分别将不同染料分子与微盘进行复合,改变微盘的增益范围,实现了全色激光的亚波长输出。此外,SPP传播损耗的波长依赖性使银纳米线具有类似滤波器的功能。我们通过改变SPP的传输距离,实现对亚波长激光信号的有效调制。上述结果为探索复合体系的自组装机制提供了新理解,有助于理性设计下一代超小型相干光源。 (2)利用有机晶体的柔性以及四能级体系,开发了一种微滴辅助的自组装方法,构建了一系列以有机单晶环为核心的微纳结构,实现了多种具有耦合功能的微环激光器。系统研究了分子间作用力与晶体机械性能之间的关系,发现波纹状的分子排布方式可赋予晶体极高的柔韧性;详细分析了微环材料的辐射行为和波导性质。采用一种微滴辅助的自组装方法,制得了高质量的单晶有机微环。此类微环具有高的净增益,可作为具有高品质因子的WGM谐振腔,实现了低阈值激光。良好的晶体柔韧性允许我们进一步调控环形结构的形貌,从而满足更多光子学功能的需求。比如,所合成的线环耦合结构具有定向输出激光的功能,而双环耦合结构可实现单模激光的出射。以上结果为理性设计基于有机柔性晶体的微纳器件提供了新思路。 总之,本文工作理性开发所需的微纳结构,在材料选择和器件构筑方面展现了可设计性,实现具有特定激光性质的光子学器件,深入探究了有机体系中材料柔性与激光性能之间的关系。我们期望本文为有机柔性微纳激光器的构筑和应用提供一套具有设计性的研究路线,以打破以往从结构寻找功能的限制,为新型有机微纳功能器件的设计和应用提供了更加有效且可控的途径。