李松涛 葛坤 郑宁 任芝

摘 要：本文通過旋涂法制备了含有SiO2纳米球和增益介质R6G的柔性随机激光器，研究了在随机激光的发射光谱和出射强度、半峰全宽与泵浦光能量密度的关系，研究了样品在不同拉伸量下的随机激光光谱，拉伸量达到14 mm时，随机激光发射光谱的中心波长蓝移了10 nm，展现了一种拉伸法调谐随机激光出射波长的方法。

关键词：随机激光；拉伸法；SiO2纳米球

与传统激光器相比，随机激光器不需要谐振腔，因此具有结构简单、体积小、制造成本低等优点，因此在特殊波段激光器的研制、新型光源、新型显示等领域引起了研究人员的关注[1-5]。

人们在随机激光器的制备过程中引入新型散射颗粒、尝试增益介质[6-8]，然而，关于随机激光器的波长调节的报道还较少[9、10]。本文将SiO2纳米球引入随机激光器的同时，开发了一种柔性的随机激光器。

一、实验方法

取一定量的增益介质罗丹明（R6G，Sigma），与乙醇混合，配置成质量浓度为3 mg/ml的溶液，再加入一定质量的SiO2纳米球（Sigma，平均粒径150 nm），SiO2纳米球的质量浓度为1 mg/ml。生成的混合溶液，与聚二甲基硅氧烷（PDMS）混合，体积质量比为1：1混合，生成粘稠的混合溶液，然后在20×20 mm2的硅胶垫上进行旋涂，旋涂速度3000 rpm，持续时间30 s。旋涂后的样品，在80 ℃下固化3 h，得到含有SiO2纳米球的柔性随机激光器。

二、光谱分析

图1. （a） 柔性随机激光器照片 （b）柔性随机激光器的剖面照片 （c）柔性随机激光器的结构示意图 （d）柔性随机激光器的正视图。样品结构示意图。（e）SiO2纳米球的消光光谱（黑色线）、归一化后的R6G荧光光谱（绿色线）和归一化后的掺杂有SiO2纳米球的R6G荧光光谱（红色线）。标尺代表200 μm。

图1展示了柔性随机激光器的照片（a），剖面图（b），结构示意图（c）和正视图（d）；图1展示了随机激光器良好的弯曲特性，并通过显微镜照片可判断膜厚约为100 μm；在制备过程中，SiO2纳米球分散在PDMS中，与R6G、PDMS共同组成了波导层。

图1（e）展示了SiO2纳米球的消光光谱（黑色线），归一化后的R6G荧光光谱（绿色线）和归一化后的掺杂有SiO2纳米球的R6G荧光光谱（红色线），消光光谱较宽，与R6G的荧光光谱想交叠，从而实现荧光增强。

图2展示了随机激光的光谱和出射随机激光强度、半峰全宽与泵浦能量密度的关系。本文制备的随机激光器件，SiO2纳米球分散在有R6G和PDMS共同形成的波导层中，共建了一个散射系统。采用Nd：YAG 激光器，波长532 nm，重复频率10 Hz，脉宽30 ns（美国Continuum）作为泵浦源。泵浦光照射到样品的时候，激发光激发R6G分子产生荧光，荧光被SiO2纳米球散射，散射后的荧光在波导增益层内干涉增强，形成随机激光发射，如图2（a）所示。图2（b）展示了出射随机激光强度、半峰全宽与泵浦能量密度的关系。研究发现，出射的随机激光的半峰全宽为4 nm，随机激光的发射阈值为1.5 mJ/cm2，展现了较为优良的随机激光特性。

为了进一步研究随机激光特性，本文对随机激光样品进行了拉伸实验，所准备的样品为20×20 mm2，拉伸长度分别为0、8、10、12、14 mm，在泵浦光能量密度为2.2 mJ/cm2条件下，出射的随机激光的光谱记录为图3（a）。随着拉伸量的增加，出射随机激光发射峰的中心波长出现蓝移，自566 nm蓝移到556 nm，同时强度出现降低。强度的降低，与拉伸过程中，样品变薄，单位面积上的R6G分子数量减少，从而造成出射随机激光强度的降低；中心波长的蓝移，与SiO2纳米球的浓度降低有关。图4（b）中展示了随机激光样品的三张剖面的电场分布图，SiO2纳米球作为散射颗粒的周围的电场分布。

三、结论

本文制备了含有SiO2纳米球和增益介质R6G的柔性随机激光器，采用波长为532 nm的激光器作为泵浦源，实现波长为566 nm随机激光的发射，阈值为1.5 mJ/cm2；随后对柔性样品进行不同拉伸量的随机激光光谱测试，研究表明出射随机激光的强度在有所降低的同时，中心波长出现了蓝移。本文为随机激光的波长调谐，提供了一种简单可靠的方法。

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作者簡介：

李松涛（1979--）男，副教授，博士，主要从事微纳光学研究。