阅读说明：本技术 一种生物随机激光器样品的制备工艺 (Preparation process of biological random laser sample ) 是由 尚真真 戴光 王学荣 于 2020-07-17 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种生物随机激光器样品的制备工艺,包括翅膀前处理、液晶混合溶液制备以及激光器样品制作,具体步骤为将蝴蝶翅膀放入乙醇中浸泡8小时；将浸泡后的蝴蝶翅膀使用去离子水反复冲洗20分钟；将冲洗后的蝴蝶翅膀静置在无尘环境中晾干；将晾干后的翅膀剪块后得到翅膀小块；在液晶溶液中加入染料分散液,并进行振荡后获得混合溶液；将翅膀小块固定到两块玻璃基片之间；对玻璃基片的两侧进行密封；将混合溶液滴在玻璃基片未密封的两侧,利用毛细现象将混合溶液渗透到玻璃基片之间；静置后获得激光器样品；所获得的激光器样品通过实验数据证明可以大幅度提高激光发射模式的稳定性,对于未来随机激光器的实际应用具有非常重要的指导意义。(The invention provides a preparation process of a biological random laser sample, which comprises the steps of wing pretreatment, liquid crystal mixed solution preparation and laser sample preparation, and specifically comprises the steps of soaking butterfly wings in ethanol for 8 hours; repeatedly washing the soaked butterfly wings for 20 minutes by using deionized water; standing the washed butterfly wing in a dust-free environment and airing; cutting the dried wings to obtain small wing blocks; adding a dye dispersion liquid into a liquid crystal solution, and oscillating to obtain a mixed solution; fixing the wing small block between the two glass substrates; sealing two sides of the glass substrate; dropping the mixed solution on the two unsealed sides of the glass substrate, and permeating the mixed solution between the glass substrates by utilizing the capillary phenomenon; standing to obtain a laser sample; the obtained laser sample is proved by experimental data to greatly improve the stability of a laser emission mode, and has very important guiding significance for the practical application of a random laser in the future.)

一种生物随机激光器样品的制备工艺

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种生物随机激光器样品的制备工艺。

背景技术

随机激光器是指利用随机介质受激辐射构成的激光器称为随机激光器，因随机激光具有不同于传统激光的优良特性和潜在的应用价值，很多研究者开始尝试使用半导体粉末、液晶、金属纳米结构、薄膜、波导结构等进行随机激光的研究，目前的随机激光器基本以半导体粉末随机激光器为主，半导体粉末随机激光器的激光发射模式不稳定，导致其应用价值不能完全被体现。

而在自然界中存在很多生物材料，可以直接应用在随机激光器的设计中，有关生物随机激光的最早研究是1995年Siddique等人使用染料浸泡过的鸡肉和猪肉脂肪组织进行的随机激光实验，近年来生物组织也逐步被研究者应用到随机激光实验中，例如2012年，Toffanin等人使用蚕丝蛋白作为载体设计了单模发射随机激光器，2013年，Da Silva等人使用蚕丝蛋白制作了基于光栅结构的薄膜随机激光器。

上述生物随机激光器相较于半导体粉末随机激光器而言，虽然激光发射模式稳定性有所提高，但稳定性还并未达到实际应用需求，因此，亟需一种可以提高激光发射模式稳定性的随机激光器。

发明内容

鉴以此，本发明提出一种生物随机激光器样品的制备工艺，以蝴蝶翅膀作为材料制成的随机激光器样品，可以大幅度提高激光发射模式的稳定性，对于未来随机激光器的实际应用具有非常重要的指导意义。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种生物随机激光器样品的制备工艺，包括以下步骤：

翅膀前处理：

将蝴蝶翅膀放入乙醇中浸泡7-9小时；

将浸泡后的蝴蝶翅膀使用去离子水反复冲洗10-30分钟；

将冲洗后的蝴蝶翅膀静置在无尘环境中晾干；

将晾干后的翅膀剪块后得到翅膀小块；

液晶混合溶液制备：

在液晶溶液中加入染料分散液，并进行振荡后获得混合溶液；

激光器样品制作：

将翅膀小块固定到两块玻璃基片之间；

对玻璃基片的两侧进行密封；

将混合溶液滴在玻璃基片未密封的两侧，利用毛细现象将混合溶液渗透到玻璃基片之间；

静置后获得激光器样品。

优选的，对蝴蝶翅膀使用去离子水反复冲洗时，将蝴蝶翅膀置于玻璃片上进行反复冲洗。

优选的，所述翅膀小块尺寸为0.8-1.2cm。

优选的，所述染料分散液为DCM染料分散液，其制备步骤为：使用丙酮将DCM染料进行溶解，配成摩尔体积为10^-2的染料分散液。

优选的，所述液晶溶液为向列相液晶P0616A溶液，所述液晶混合溶液制备的具体过程为：在1毫升的向列相液晶P0616A溶液中加入0.2毫升的染料分散液，采用超声波振荡30-60分钟后获得混合溶液。

优选的，所述玻璃基片为ITO导电玻璃基片，所述ITO导电玻璃基片的长度和宽度为2厘米，厚度为20微米。

优选的，在所述静置后获得激光器样品中，静置时间为20-40分钟。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种生物随机激光器样品的制备工艺，基于蝴蝶翅膀作为随机激光器样品的制备，其中先对蝴蝶翅膀进行前处理后，取出蝴蝶翅膀上的灰尘以及杂质，同时以液晶作为散射介质，将液晶溶液和染料分散液混合后获取混合溶液，采用两块玻璃基片作为基底，并将蝴蝶翅膀固定到玻璃基片后，利用毛细现象将混合溶液渗透到玻璃基片之间，所制得的激光器样品相对于传统的半导体粉末随机激光器以及其他生物随机激光器而言，激光发射模式稳定性得到了大幅度的提高，对于未来随机激光器的实际应用具有非常重要的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的优选实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种生物随机激光器样品的制备工艺的流程图；

图2为样品1的发射光谱随泵浦能量的变化图；

图3为样品1发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图4为泵浦能量大小为595μJ时，样品1在同一个位置的多个单脉冲发射光谱；

图5为图4中标注尖峰对应的相邻模式之间的间隔曲线图；

图6为样品2的发射光谱随泵浦能量的变化图；

图7为样品3的发射光谱随泵浦能量的变化图；

图8为样品2发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图9为样品3发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图10为样品3在position2位置处的发射光谱随泵浦能量的变化曲线图；

图11为样品3在position3位置处的发射光谱随泵浦能量的变化曲线图；

图12为样品3在position4位置处的发射光谱随泵浦能量的变化曲线图；

图13为样品3在position2位置处的发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图14为样品3在position3位置处的发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图15为样品3在position4位置处的发射光谱能量和谱线半高宽随泵浦能量的变化曲线图；

图16为泵浦能量为260μJ时，样品3在position2位置处的多个单脉冲发射光谱；

图17为样品3在四个不同位置发射随机激光的阈值比较；

图18为样品2和样品3的发射光谱中出现尖峰的位置图。

具体实施方式

为了更好理解本发明技术内容，下面提供一具体实施例，并结合附图对本发明做进一步的说明。

参照图1所示，本发明提供的一种生物随机激光器样品的制备工艺，包括以下步骤：

翅膀前处理：

将蝴蝶翅膀放入乙醇中浸泡7-9小时，优选的浸泡时间为8小时；

将浸泡后的蝴蝶翅膀置于玻璃片上使用去离子水反复冲洗10-30分钟，优选的冲洗时间为20分钟；

将冲洗后的蝴蝶翅膀静置在无尘环境中晾干；

将晾干后的翅膀剪块后得到翅膀小块，所述翅膀小块尺寸为0.8-1.2cm，优选的翅膀小块尺寸为1cm；

液晶混合溶液制备：

使用丙酮将DCM染料进行溶解，配成摩尔体积为10^-2的染料分散液；

所述液晶溶液为向列相液晶P0616A溶液，在1毫升的向列相液晶P0616A溶液中加入0.2毫升的染料分散液，并采用超声波振荡30-60分钟后获得混合溶液，超声波振荡的时间优选为40分钟；

激光器样品制作：

将翅膀小块固定到两块玻璃基片之间，玻璃基片选用ITO导电玻璃基片，其厚度为20微米，长度和宽度均为2厘米；

对玻璃基片的两侧进行密封；

将混合溶液滴在玻璃基片未密封的两侧，利用毛细现象将混合溶液渗透到玻璃基片之间；

静置20-40分钟后后获得激光器样品。

本发明制备获取的生物随机激光器相比于传统的半导体粉末随机激光器以及其他的生物随机激光器而言，具备更加稳定的激光发射模式，对于未来随机激光器的实际应用具有非常重要的指导意义，以下通过相应的实验来验证蝴蝶翅膀随机激光器对于提高激光发射模式稳定性的效果。

首先是3种样品的制备：

样品1(PM597/Wing)：掺杂蝴蝶粉末和染料PM597的毛细玻璃管样品；

样品2(DCM/LC)：掺杂DCM和向列相液晶的毛细玻璃管样品；

样品3(DCM/LC/Wing)：块状蝴蝶翅膀为基底的染料DCM掺杂向列相液晶样品；

样品3采用本发明的制备工艺制作获得，样品1和样品2在制备前，选用Pyrromethene-597(PM597)作为增益介质，使用乙醇将PM597染料进行溶解，配成摩尔体积为10^-3的染料分散液，样品1和样品2使用一根长度为50mm、直径为5mm的毛细玻璃管制备，首先将蝴蝶粉末掺杂在1毫升的染料PM597的乙醇分散液中搅拌均匀，即制备好了PM597/Wing溶液，然后在1毫升的向列相液晶P0616A中加入0.2毫升的含DCM的丙酮溶液，获得DCM/LC溶液，将PM597/Wing溶液和DCM/LC溶液使用超声波振荡40分钟后，分别倒入到毛细玻璃管中制成样品1和样品2。

图2为样品1的发射光谱随泵浦能量的变化图，从中可以发现，当泵浦能量大小为123时，样品1只发射出了半高宽约25nm的自发辐射光谱，此时系统的增益可能还不能补偿损耗，随着泵浦能量增加到161，样品发射光谱中出现了半高宽约1.5nm的较窄的波峰；继续增加泵浦能量到244，突然出现了更窄的波峰，对应的半高宽约0.33nm；图2中发射光谱上尖峰的出现说明样品内形成了某些随机相干等效腔，而且腔内的增益大于了损耗，提供了随机激光发射需要的反馈，这一反馈的形成与蝴蝶翅膀微结构中的微腔局域作用以及微结构边缘的散射有关，因为微结构并不是完全周期性的，加上泵浦脉冲的波动，所以不同能量下样品1的发射光谱的尖峰位置有轻微移动。

图3为样品1发射光谱的能量随泵浦能量的变化曲线，图中可发现明显的阈值行为，阈值约为133，这再次确认了样品1发射随机激光的行为，由图2中箭头标注的尖峰位置可看出，随着泵浦能量的增加，样品1发射随机激光光谱中尖峰的位置变化不是很大1这意味着蝴蝶翅膀中的随机激光等效腔是比较稳定的，为了证明这一猜想，将样品1的泵浦位置固定，在泵浦能量为595时，记录了样品1的多个单脉冲发射光谱，相邻两个单脉冲发射光谱的间隔记录时间是3分钟，此处我们记录了6个光谱，如图4所示，不同时间记录的单脉冲发射光谱中尖峰的位置基本不变，特别是主峰基本固定在572.08±0.06nm和573.12±0.08nm附近，在图4中用箭头标注了五个尖峰的位置，然后在图5中绘制了相邻两个尖峰的模式间隔，从图中可看出，模式间隔也非常稳定，四个间隔数值分别为1.08、0.98、1.02和1.07nm，样品1发射光谱尖峰位置和相邻波峰间隔的稳定性与蝴蝶翅膀中的微结构的局限性有关。

为了进一步确定蝴蝶翅膀对随机激光发射模式的调控，接下来对比样品2和样品3的发射光谱，图6和图7分别为不同泵浦能量下样品2和样品3的随机发射光谱，从图6中可发现，泵浦能量为27.9时，样品2发射光谱为一条平滑的自发辐射光谱；当泵浦能量增加到49.5时，发射光谱的半高宽窄化到约8nm；继续增加泵浦能量到69.9时，发射光谱中开始出现了多个半高宽在0.3nm左右的尖峰，而且不同泵浦能量下的多个尖峰位置是随机的、不稳定的，这与液晶分子引起的光的多重散射有关，不同的散射路径对应不同的发射模式，图7中的样品3也出现了与图6中类似的随机激射现象：泵浦能量较低时，样品3只发射出了自发辐射光谱；随着泵浦能量增加到168，发射光谱中开始出现了半高宽约0.65nm的尖峰；继续增加泵浦能量，谱线半高宽继续变窄，发射光谱中出现了半高宽约0.3nm的尖峰，图8和8分别是不同泵浦能量下样品2和样品3发射光谱的强度和半高宽大小，图8和图9中都出现了明显的阈值行为，这进一步确定了样品中的随机激光行为，样品2和样品3的阈值大小分别为49.5和161.3，对比图6和图7可发现，因为蝴蝶翅膀的微结构的存在，样品3发射光谱中的尖峰数量明显少于样品2对应光谱的尖峰数量。

参照图7、图10-图12所示，本发明探测了同一个样品3四个不同位置的发射光谱，与图7中的发射光谱类似，泵浦能量较低时，图10、图11和图12中的发射光谱的半高宽较宽，而且没有出现随机激光；当泵浦能量增加到某个值后，发射光谱均出现了尖峰，这也预示着随机激光行为的出现，图13、图14、图15是对应图10、图11和图12中发射光谱的强度和半高宽随泵浦能量的变化，从中发现，图13、图14、图15中均出现了明显的阈值行为，对应的阈值分别为61.3、33.9和80.3，最重要的是，图10、图11和图12中的发射光谱的尖峰数量与图6相比也减少了很多，这再次确定了蝴蝶翅膀的微结构调控随机激光模式数量的作用，说明蝴蝶翅膀的微结构增强了随机腔的局域性，而且，与其他模式相比，该局域模在随机激光发射中占主导地位。

在图2、图5的对比中，已经确定蝴蝶翅膀结构对提高随机激光发射模式稳定性的作用，而通过图7、图10-图12以及图6中的发射光谱可以看出，蝴蝶翅膀结构调控随机激光模式稳定性的额作用，与图6相比，图7、图10-图12中的样品3发射光谱的尖峰位置随泵浦能量的变化不大，基本是稳定的，样品3发射光谱上的尖峰稳定一方面与蝴蝶翅膀的微结构有关，另一方面与液晶分子在蝴蝶翅膀上的均匀分布有关，为了进一步确定蝴蝶翅膀的这一作用，图16给出了泵浦能量为260时，样品3在Position2处的多个单脉冲发射光谱，此处记录间隔为3分钟记录一次，一共记录了7个光谱，从中可以发现，图16中不同时间记录的单脉冲发射光谱中的主尖峰位置基本是固定不变的，这再次确定了蝴蝶翅膀具有调控随机激光模式稳定性的作用。

图17为样品3四个不同位置发射随机激光的阈值大小，从图中可以发现，样品3不同位置发射随机激光的阈值(161.3、61.3、33.9和80.3)的大小是不同的，而且某些位置的阈值比样品2发射的随机激光的阈值(49.5)要小，样品3不同位置发射随机激光的阈值变化与蝴蝶翅膀微结构的变化有关，图18为样品2和样品3发射光谱中尖峰位置的分布，图中的Positon1、Positon2、Positon3、Positon4表示同一样品3的随机的四个不同位置，图18的数据是根据图6和图7、图10、10和11对应发射光谱中的尖峰位置获得的，和多数实验获得的结果一样，样品2发射的是传统的随机激光，发射光谱中有很多不可预测的多种随机模式，尖峰位置分布在616.5～636.1nm的波长范围内，虽然图中的曲线为连续的直线，实际上尖峰位置是多个孤立、紧密的点，但是由于图6中的尖峰过多，所以用一条近似的直线替代，但是，通过图中可以看出样品3随机的四个不同位置发射的随机激光光谱中尖峰的数量明显变少了，不仅如此，样品3的不同位置发射光谱的尖峰位置波动不是很大，最大的波动是样品3Positon1对应的617.05nm的主峰位置和Positon2对应的619.28nm的主峰位置之间的波动约2.23nm；四个不同位置发射光谱中尖峰出现的其他位置都集中在609.851.0nm和615.021.2nm左右，这一现象再次说明蝴蝶翅膀结构一方面减少了随机激光的发射模式数量，另一方面保证了发射模式的稳定性。

通过上述的实验数据以及曲线证明了蝴蝶翅膀结构对提高随机激光发射模式稳定性的作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。