含复合染料的响应性胶体光子晶体对激光输出波长的宽范围调谐

Lasing can be achieved in photonic crystals cavities due to the enhancement of local density of states (LDOS) near the band edges and the field-enhancement effect in photonic crystals and tunability of lasing wavelength in photonic crystals can be realized by bandgap modification. However, the tunable range of wavelength of photonic cryastal laser reported is relatively samll due to narrow luminescent wavelength range of dyes embedded. The aim of this study is to prepare a series of mechanically and chemical-stimuli responsive polymer reverse opal photonic crystals with high-performance luminescent composite dyes embedded. Luminescence over a wide range of wavelengths can be abtained easily from the comoposite dyes, which breaks the limit of narrow luminescent wavelength range of one dye. Under external stimulus, the volume of stimuli-responsive skeletons of dyes-doped inverse photonic crystal devices will shrink or expand and a large modification of bandgap occurs, resulting a wide-range tunable laser emission. Consequently, this work would open a new avenue for the realization of miniature lasers with widely tunable wavelength.

光子晶体的光子带隙带边效应可提高光增益特性，因而被广泛应用于激光器中，通过改变光子带隙可以实现对光子晶体激光输出波长的调谐，但目前所报道的可调谐光子晶体激光因单一染料发光波长范围的限制使得激光发射波长的可调谐范围较小。本课题拟将化学、力学响应性高分子作为骨架材料构筑反蛋白石三维光子晶体，并向其中引入两种具有高发光量子效率的染料制备得到响应性胶体光子晶体器件。选用复合染料能够突破单一染料发光波长范围较窄的限制，可以获得更宽的发光波长范围。在外界刺激下，响应性骨架材料发生体积缩胀，导致光子带隙波长位置发生大范围的变化，结合复合染料宽的发光范围，可以实现对激光输出波长更宽范围的调谐，为波长可大范围调谐的光子晶体激光器的研制提供实验依据。

光子晶体具有光子带隙的周期性介电结构，可以将光子局域在某一个区域，并引导光子沿某一个特定方向传播，已经被广泛应用于低损耗、全角度反射镜、光放大器、滤波器、全光控超快集成器件等。由于光子晶体对特定波长的光在特定方向上传播的抑制，使其对光具有局域作用，即光无法从外部通过光子晶体或光无法从内部辐射出来，这就为光子晶体结构作为激光谐振腔提供了可能。胶体光子晶体（即三维光子晶体），因其在三维方向上的光子带隙作用，同样可以对内部的荧光发射进行调制，以光子晶体的晶面作为布拉格反射面，使整个光子晶体结构起到谐振腔的作用，最终可能产生光子晶体激光。利用光子晶体激光输出波长与光子带隙相关的特性，研制了一个制备工艺简单、输出激光阈值低的含染料光子晶体器件的方法。将发光染料直接掺杂到光子晶体微球内部并经自组装成胶体光子晶体薄膜器件，在纳秒脉冲激光下实现了低阈值激光输出（最低阈值达到10 μJ/p），系统研究了光子晶体的禁带和掺杂染料的浓度对光子晶体激光阈值的影响。采用不同高分子单体制备成弹性共聚物作为力学响应性骨架材料，构筑反蛋白石结构的三维光子晶体后，引入复合荧光染料到响应性光子晶体薄膜器件内部，通过外场力的刺激作用改变其晶格常数，并在短波长的泵浦光作用下实现了光子晶体激光输出波长的调谐。还通过由不同粒径形成的FCC多层胶体光子晶体构筑超晶格结构，使之形成高效的通带及禁带，系统研究了超晶格结构的通带及禁带的相互关系，并对超晶格结构对自发发光光谱的窄化作用，在实验上证实类似的响应性光子晶体及超晶格光子晶体应在光学过滤器和激光设备上的可能性。