材料沉积喷墨打印及
涂层系统解决方案

新闻资讯

为推动多种溶液法加工及纳米材料沉积喷墨打印技术在印刷电子和生物等科学研究及工业领域的应用和发展而不懈努力。

电调谐聚合物回音廊道模激光器

发布时间:2022-08-05
发布人:

近年来,微腔基激光器在光学集成、片上光通信和超灵敏传感等领域显示出了巨大的应用潜力。在总的构型中,低语画廊模式(WGM)微腔由于其优良的光学特性而得到了广泛的研究。目前,可调谐微腔激光器,特别是在原位动态调谐方面,仍然是研究的重点。北京工业大学物理与光电学院翟天瑞教授课题组,利用MicroFab Jetlab®4喷墨打印将0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT)压电晶体与聚[9,9-二辛基芴-2,7-二基](PFO)微环腔相结合,以实现高质量、电可调、回音廊道模式(WGM)激光器。目前,通过电子束光刻、化学合成、 静电纺丝、喷墨打印等方法,已经成功地制备了各种形状的WGM微腔。其中,喷墨打印方法可以快速、低成本、高精度地生产出高质量的WGM微腔结构。

波长可调谐微激光器作为各种光子器件中不可缺少的组成部分,已经引起了人们的 大兴趣。微腔激光器的波长变异性为集成具有更多功能的光子器件提供了可能性,也是产生更紧凑器件的关键要求。课题组提出了一种电调谐微激光器,通过压电效应诱导的应变在原位调整发射波长。波长调谐是通过在0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT)压电单晶上制造微环谐振器来实现的,具有超高压电应变常数(d31高达~-3000pm/V),实现了波长调谐。此外,由于PMN-PT压电晶体对电场的快速响应,这种调制非常敏感。

微环激光器的制造如图1a所示。器件采用喷墨打印方法制作,在制备微腔之前,通过磁控溅射在PMN-PT压电单晶的上表面和下表面沉积30nm金电极,并在400℃退火。使其牢固地粘附在基底上。然后,以3000rpm的转速在基底上旋转PDMS,为随后的微腔制备提供疏水环境。PFO在浓度为18mg/mL的二甲苯溶液中作为印刷油墨完全溶解。配备有60µm直径压电驱动喷墨喷嘴的MicroFab Jetlab 4高精度喷墨打印系统(MicroFab Technologies Inc.)将液滴喷射到PDMS膜上以形成微结构。微环阵列的显微图像如图1b所示,比例尺为100µm。微环结构的AFM图像如图1c所示。比例尺为10µm。喷射的PFO溶液液滴部分溶解了PDMS膜,由于咖啡环效应,在基板上液滴的边界处形成了更高的环形结构,如图1c中的图像所示,该图像是通过原子力显微镜获得的。微环结构非常平滑,有助于实现低损耗和高Q因子。此外,其直径可以通过改变二甲苯液滴的体积来调整,由压电驱动的喷墨喷嘴控制。此外,通过改变打印参数来控制液滴体积,可以获得不同尺寸的微环。

materials-15-04812-g001.jpg

▲ 图1

图1 PFO微环激光器的制作与测量。(a)微环谐振器的制造过程示意图。(b)显微镜图像显示打印的微孔阵列。微环结构的(c)AFM图像。(d)微环谐振器的激发和信号收集的实验装置。(e)反馈光在微环腔内的传播示意图。(f)PFO的归一化吸收(黑线)和发射(红线)光谱。

6379530732565721883818512.jpg

▲ 图2

图2 PFO微环激光器的激光器特性。(a-c)不同泵浦流量下微量环的归一化光致发光光谱,直径分别为53 、67和85μm。(d-f)激光振荡模式的高斯拟合。(g-i)直径分别为53、67和85μm的微粒的PL峰值强度与泵浦通量的图。左插图:微管环的显微镜图像。比例尺为20μm。右插图:模拟微环谐振器的电场强度分布。

聚焦的脉冲激光局部激发空气中的微环,当泵浦功率密度降低时,只观察到微弱的自发发射。当泵浦强度增加到受激发射阈值时,微环壁上增强的耳语道模式有利于光反馈,自发发射转变为具有强峰值的窄线宽激光发射。对不同尺寸微腔的激光光谱进行了比较,发现随着尺寸的增大,微腔有红移现象,随着微环直径的增加,激光模式变得密集,由于聚合物微腔与周围介质的折射率差异,光通过多次全内反射被捕获在光滑微腔内壁。当光路为波长的整数倍时,微腔内形成稳定的驻波。因此,在微腔中可以观察到强的激光模局域场。

结论

采用喷墨打印法制备了不同直径的PFO微孔激光器,用PMN-PT压电晶体展示了了一种波长可调谐的PFO微环WGM激光器件,比较了不同直径的微环的激光光谱,当微环直径为85m时,阈值低至13.3μJ/cm2,Q值达到4620。PMN-PT压电衬底的电应变诱导特性改变了激光发射波长,其独特之处在于它可以灵活地实现二维空间中的原位连续动态调谐。通过施加0.48kV/mm的直流电场,可以实现约0.7nm的波长调谐。喷墨打印具有成本低、制备灵活、批量制备等优点,为可调谐WGM激光器提供了一种可行的解决方案,在制备紧凑光子元件方面具有重要的应用潜力。

参考文献:

[1] Liu F, Tong J, Xu Z, et al. Electrically Tunable Polymer Whispering-Gallery-Mode Laser. Materials (Basel, Switzerland). 2022 Jul;15(14):4812.

____________________________________________________________________________________________________________________________

p.s.为保持服务的专业性及稳定性,烦请通过以下方式与睿度光电联系,咨询邮箱:service@rd-mv.com,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。