材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案
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北京工业大学翟天瑞教授课题组提出了一种复合腔来实现回音壁模式（WGM）激光和随机激光。WGM-随机复合腔由具有环形边界的随机结构组成，通过结合喷墨打印（MicroFab纳米材料沉积喷墨打印系统Jetlab®4）和金属辅助化学蚀刻方法的方法制造。超薄聚合物膜连接到WGM随机复合腔，形成聚合物激光装置。在光泵浦条件下观察到从WGM激光到随机激光的转变。通过改变WGM随机复合腔的参数，可以很容易地调整激光性能。这些结果为传感应用的集成光源设计提供了新的途径。 1 简介微腔激光器因其尺寸小、低阈值和广泛的通用应用而引起了广泛关注，例如显示器、成像、传感和片上光通信。已经设计了多种微腔来制造微型激光器，例如法布里-珀罗、分布式反馈（DFB）以及随机和回音壁模式（WGM）激光器。它们中的每一种都有明显不同的共振机制和结构。其中，随机激光是通过光在无序增益介质中的强多重散射来实现的。随机激光器的一个特殊优势是，它们可以在小尺寸、无腔和低空间相干性的情况下生产。WGM激光是通过全内反射实现的，这导致了低阈值和窄线宽激光器。不同类型的激光器有望集成在一个复合腔中，以探索微腔激光器的小型化和相互作用。 在“定制复合腔中的回音壁激光和随机激光”的研究中，北京工业大学翟天瑞教授课题组提出了一种WGM-随机复合腔，以在单个激光器件中实现WGM激光和随机激光。复合腔由装饰有随机中孔的圆盘状Si结构组成，通过喷墨印刷和金属辅助化学蚀刻（MACE）方法制造。对于硅的MACE，蚀刻仅限于金属催化剂模板周围的小区域。然后将充当增益介质的聚合物膜连接到复合腔以形成聚合物激光器件。在光泵浦时，同时观察到WGM激光和随机激光。在喷墨打印过程中，硅微盘的直径与光刻胶液滴的浓度有关。通过改变硅微盘的直径来修改WGM激光的特性。 2 结构和方法在实验中，以电阻率（ρ）为1-10Ω·cm的掺硼p型Si（100）晶片为衬底。图1描述了使用喷墨打印和MACE方法制造WGM-随机复合激光器件的过程。通过用丙酮稀释光致抗蚀剂制备喷墨打印墨水。为了使光刻胶完全溶解在丙酮中，将墨水超声振荡10分钟。硅微盘的直径可以通过光刻胶墨水与丙酮的体积比来控制。使用配备60μm直径MJ压电驱动喷墨喷头的MicroFab高精度打印机Jetlab®4，在基材上打印光刻胶液滴，如图1a所示。由于咖啡环效应，打印的光刻胶液滴形成了一个超薄的微圆盘，在边界处具有更高的环状结构，如图1b所示。光刻胶微盘的显微图像如图1c所示。微盘的直径约为142µm，光刻胶与丙酮的比例为1:10。图1d中的原子力显微镜图像显示，在微盘边界处较高的环状结构的厚度约为1μm，可以抵抗金属辅助化学蚀刻的蚀刻过程。
▲ 图1 使用两步MACE工艺，包括在AgNO3-HF溶液中沉积Ag催化剂，并在HF-H2O2溶液中蚀刻，如图1e-g所示。首先将覆盖有光刻胶微掩模的硅晶片浸入含有4.8M HF和0.004M AgNO3的溶液中1分钟。一层银纳米颗粒（Ag NPs）沉积在硅晶片的表面上，除了光刻胶微盘的边界，如图1e所示。光刻胶微盘的边界足够厚，足以抵抗AgNO3和HF混合物中硅和银离子之间的氧化还原反应。随后，Ag NPs涂覆的Si样品在含有4.8M HF和0.04M H2O2的溶液中蚀刻8分钟。随着蚀刻的进行，Ag NPs逐渐被蚀刻掉，形成了装饰有随机中孔的圆盘状Si结构，如图1f所示。为了去除硅表面的圆形光刻胶点，使用丙酮清洗硅片。图1h，i装饰有介孔的盘状Si结构的SEM图像和随机形状的介孔结构的放大图。Si盘的直径约为142µm。在介孔结构的顶部仍存在Ag NPs，这可能增强了随机激光的散射效应。最后，一层厚度接近200nm的发光聚合物膜（15mm×15mm），聚(9,9-二辛基芴基-2,7-二基)（PFO），连接到装饰有中孔的圆盘状Si结构上，形成WGM随机复合激光装置。整个系统的示意图如图2所示。WGM模式和随机激光模式分别由复合腔内的两个谐振器支持。
▲ 图2 3 结果PFO的吸收和光致发光（PL）光谱如图3a所示。在382nm处观察到宽吸收峰（红色曲线），PL光谱（蓝色曲线）集中在约445nm处，半峰全宽（FWHM）约为30nm。吸收光谱与PL光谱之间几乎没有重叠，这表明PL发射的自吸收非常弱。在吸收光谱内选择泵浦波长。泵浦和发射的波长分别用黑色和蓝色箭头表示，如图3a所示。在光谱测量期间，采用短脉冲二极管泵浦固态激光器作为泵浦源。泵浦激光点通过20倍物镜聚焦到WGM-随机复合激光装置的顶面上。光电发射由同一个物镜收集和准直，最后耦合到光谱仪。如图3b的插图所示，光束直径约为0.2mm，通过刀口法测量。请注意，Si结构的吸收影响了激光性能。当泵浦能量超过激光阈值时，宽发射光谱开始变窄。在448nm处可以观察到发射峰，发射峰的FWHM（λFWHM）约为3nm。此外，图3b中的插图表示在泵浦能量约为198µJ/cm2时的发射峰的放大图。 为了研究激光模式，采用0.01nm的高光谱分辨率光谱仪记录了446~452nm的激光光谱。当泵浦能量超过70µJ时，在发射光谱上可以观察到几个尖峰，并且输出强度随泵浦能量的增加而显著增加。图3c显示了具有高分辨率的光谱仪采集的具有不同脉冲泵浦能量的尖峰的强度。在自发发射带上出现了多个以446.95、447.26、447.56、447.83、448.14、448.42、448.74和449.06nm为中心的尖峰。随着泵浦能量的增加，间距峰值的强度增加，并逐渐达到饱和。泵浦能量约为198µJ/cm2时的间距峰值的放大图如图3d所示。间距峰的特征与报道的聚合物微环激光器相当，表明发生了WGM激光作用。两个相邻峰之间的间距∆λ几乎相同，约为0.28nm。光以WGM形式限制的微谐振器的激光线的光谱分离用∆λ=λ2/(nπD)表示，其中λ为发射波长，n为腔的有效折射率，D为微谐振器的直径。从SEM图像中可以估计出D，约为142µm。则n可以计算为1.61，与PFO的实验值（1.64）近似。
▲ 图3 图3e显示了作为泵送能量函数的发射强度和FWHM曲线。当泵浦能量低于70µJ时，可以观察到来自WGM-随机复合腔的微弱和广泛的自发发射。FWHM和泵浦能量之间存在非线性变化，这是随机激光发生的特征。随机激光的阈值约为140µJ/cm2，λFWHM从超过其阈值的30nm迅速缩小到3。图3f显示了WGM发射强度在446.95、447.26、447.56、447.83、448.14、448.42、448.74 和449.06nm处作为泵浦能量的函数的图。WGM激光的阈值约为70µJ/cm2，λFWHM迅速缩小到超过其阈值的0.1nm。 复合微谐振器中WGM和随机激光的阈值是可比的。WGM激光的阈值接近70µJ/cm2，而随机激光的阈值为140µJ/cm2。 WGM-随机复合激光器是通过在装饰有介孔的盘状Si结构上附着一层发光聚合物膜来实现的。原则上，WGM-随机复合激光的特性主要由底部Si微盘的尺寸和介孔结构决定。在这种情况下，可以通过制造不同直径的Si微盘来控制WGM-随机复合激光的模间距。图4a为Si微盘的显微图像。标有①-⑤的圆盘各自的直径约为142、128、109、80和72μm，并且还模拟了圆盘①-⑤中高Q模式的场图。图4b显示了Si微盘的直径作为光刻胶与丙酮的比率的函数。Si微盘的直径由光刻胶墨水与丙酮的稀释比控制。此外，所有微盘腔都确认了激光发射。激光模式间距从0.28增加到0.31、0.36、0.5和0.55nm。图4b总结了模式间距对微盘直径倒数的依赖性，表明线性关系为Δλ = 40D-1。
▲ 图4 具有高灵敏度和低检测限的基于微激光的传感器表明在实际应用中具有很高的潜力。所提出的WGM-随机激光器可用作基于微激光的传感器，如图5所示。在实验中，有三种不同的液体，即：去离子水（n=1.33）、乙醇（n=1.36）和30%蔗糖（n=1.38）用于测试激光装置对环境介质的响应。WGM-随机复合腔激光器的直径保持不变。随着环境折射率的变化，这组间距峰作为一个整体移动。因此，峰值的位移可以通过包络的中心波长来识别，如图5a中的黑色箭头所示。WGM-随机复合腔激光器中的传感器信号不同于简单的基于WGM的传感器。在间隔激光峰下的光致发光峰变窄，信号的运动更容易识别。
▲ 图5 如图5a所示，通过将环境材料从空气更改为不同的液体，可以调整WGM-随机激光器的发射波长，其中发射峰值红移从447.2到451.8nm。激光传感器的原理图如图5b的插图所示。 4 结论综上所述，通过结合喷墨打印和MACE方法，制造了WGM-随机复合腔，以同时调整WGM激光和随机激光的特性。在复合腔中，WGM激光的Q因子比随机激光的部分大一个数量级。通过制造不同直径的Si微盘，可以控制WGM-随机复合激光的模式间距。此外，该WGM-随机复合激光装置用于研究液体外部刺激的传感特性。这些结果可以为设计具有独特应用的WGM-随机复合激光器提供新的途径。 参考文献： [1] Xu Z , Tong J , Shi X , et al. Tailoring Whispering Gallery Lasing and Random Lasing in A Compound Cavity[J]. Polymers, 2020, 12(3):656. ____________________________________________________________________________________________________________________________ p.s.为保持服务的专业性及稳定性，睿度光电产品均无代理，烦请通过以下方式与我司联系，咨询邮箱：service@rd-mv.com，总部电话：+86-21-51816409。非常感谢您的关注，期盼与您合作并探索更多可能。 |
