金-银双金属多孔纳米线:一种可实现宽波长范围输出的高效随机激光器散射材料

与传统的有腔激光器不同,随机激光器是利用无序体系中散射颗粒的散射来实现光放大或受激辐射的,其工作机制研究具有重要的理论意义。同时,随机激光具有容易实现、成本低、低空间相干性和高强度的忧点,在图像显示和医疗等领域具有广阔的应用前景。如何实现低阈值且高效的多波长随机激光辐射是限制随机激光应用的关键问题。近几年来,研究者们利用金属纳米颗粒的等离子体共振实现了随机激光器阈值的降低。但这些等离子体随机激光器还只是基于单一的增益材料和普通纳米粒子作为散射源,利用金属纳米颗粒的表面等离子共振峰与增益介质的荧光峰很好的重叠来实现随机激光阈值的降低。然而,理想的发光设备的光频应连续可调,而且可以输出多种波长的光。这就需要在两方面做出突破:1)设计一种在整个可见光波段可以实现连续表面等离子共振的金属纳米粒子,2)解决不同染料需要不同波长激光泵浦的问题,实现一种由单一泵浦源激发的可以输出宽范围的随机激光设备。

为了解决这一问题,北京师范大学物理系刘大禾教授、王兆娜副教授领导的课题组利用简单的化学方法实现了具有大量随机分布的微纳米尺寸的多孔的金银双金属纳米线结构,该结构具有可以覆盖整个可见光范围的宽带等离子体共振谱,是用来实现覆盖可见光波段的多波长输出的随机激光器的理想的散射材料,该方法避免了加工具有奇点型金属结构的复杂工艺,利用简单的方法实现了高性能的等离子体散射材料,开辟了宽带表面等离子体谱材料研究的新思路。基于不同增益介质之间的级联能量转移理论,利用染料香豆素1,香豆素1 +香豆素6,香豆素1+香豆素6+罗丹明,或香豆素1+香豆素6+罗丹明+恶嗪四种不同的混合染料体系实现由单一波长的激光泵浦激发得到可以覆盖可见光波段的不同波长的随机激光辐射,而且这种由纳米级微孔散射产生的随机激光具有极窄的线宽(<0.05 nm),对应的Q值达到13000,可以和普通的光子晶体激光相比拟。同时,由于材料内存在大量的纳米级的缝隙(nanogap),当光激发时,可以在纳米缝隙内形成电磁场的急剧增强,从而使得基于nanogap的随机激光器具有极低的阈值。更为重要的是,这种基于多孔金银双金属纳米线的随机激光器构造简易,制备方便,成本低,阈值极低,可以合理利用不同的染料实现随机激光输出波长的连续可调,为进一步研究实现白光的随机激光器提供了理论和实验基础。