基于能量轉移的多色隨機激光器

史曉玉，王兆娜，翟天瑞?，張新平

1 北京工業大學應用數理學院

2 北京師范大學物理系

目 錄

I.引言 81

II.基于輻射能量轉移的多色隨機激光器 84

A.雙色隨機激光器 84

B.液態紅綠藍隨機激光器 84

C.固態紅綠藍隨機激光器 86

III.基于共振能量轉移的多色隨機激光器 88

A.雙色隨機激光器 89

B.雙色隨機激光器的調控 89

1.施主/受主分子配比對輸出光的調控 91

2.泵浦光對輸出光的調控 91

C.紅綠藍隨機激光器 91

IV.總結與展望 92

致 謝 92

參考文獻 92

I.引言

隨著納米科技的興起和集成光電子學的蓬勃發展，小體積、快響應、易集成、低能耗的微納激光光源逐漸登上歷史舞臺。隨機激光器作為一種新型的小體積激光光源，開始走入人們的視野。1966年，Ambartsumyan 等人以 “A laser with a nonresonance feedback” 為題提出了隨機激光器的概念雛形[1]。兩年后，同一課題組的 Letokhov 通過計算增益介質中的光散射與光放大特性[2]，在理論上提出散射可以為光的受激輻射提供反饋，消除了反射光學元件在激光系統中的必要性。1994 年，Lawandy 等人首次在強散射增益介質中觀察到了類激光現象[3]，證實了 Letokhov 的理論計算結果。1999 年，Cao 教授在氧化鋅粉末中實現了相干隨機激光輻射[4]，正式提出 “random laser” 一詞，大大推進了隨機激光器的研究工作。

這種新型激光器實現受激輻射光放大的物理機制與傳統激光器不同。傳統激光器是由諧振腔對光進行反饋的，光在諧振腔中來回傳播，與腔內增益介質中處于激發態的原子相互作用實現受激輻射放大（圖1a）。隨機激光體系中的散射結構充當了傳統激光器諧振腔的角色，光通過多次散射與增益介質相互作用實現受激輻射放大，產生高強度、線寬窄的發射光[5,6]。它的反饋機制有兩類[7]，一類是光子通過多次散射被放大，對相位不敏感，稱為非相干反饋或能量反饋（圖1b）；另一類是光子在隨機體系內多次散射后形成閉合回路并產生干涉效應，稱為相干反饋或振幅反饋（圖1b）[8]。

圖1.(a) 隨機激光器的光放大機制示意圖，(b) 非相干反饋機制（上）與相干反饋機制（下）的隨機激光光譜[8]。

隨機激光器不需要精密的諧振腔結構，避免了傳統諧振腔復雜的制造工藝和高昂的成本，它的結構簡單、設計靈活、造價低廉，在光電子器件[9,10]、生物醫學[11,12]、傳感[12?15]、信息安全[16]等領域都有很好的應用前景。此外，隨機激光的空間相干性低，將其應用于成像領域[17]，既滿足了對光源亮度的需求，又能避免傳統激光成像中的散斑問題。隨機激光器被認為是下一代理想的照明源，對其輸出激光波長范圍的拓展和調控尤為重要。

在近二十年中，對隨機激光波長的調控研究日新月異，得到了突飛猛進的發展，成為該領域的熱門課題之一。一方面，散射結構是影響隨機激光輸出的關鍵因素。因此，改變散射顆粒的尺寸、折射率和濃度等參數可以拓寬隨機激光輸出的波長范圍。(1) 改變顆粒本身的參數：2003 年，Gottardo 等人通過改變散射顆粒的大小和折射率來調控其對不同輻射光的散射強度，對不同波長處的激光產生共振增強，實現了 603 nm ～638 nm 的激光輸出，波長調控范圍達到 35 nm（圖 2）[18]?；谝壕⑸涞碾S機激光器可以通過改變電壓[19]、溫度[20?22]來靈活調控液晶顆粒的分布、介質的折射率，間接地改變隨機激光器輸出波長的范圍。Song 等人通過改變液晶散射體的溫度實現 624.9 nm ～631.3 nm 區間內隨機激光的靈活調控[22]。 (2) 改變顆粒的摻雜濃度：2011年，Nakamura 等人在 ZnO 和Al2O3納米顆粒構成的隨機體系中，改變Al2O3的摻雜比例來改變光子平均傳輸自由程，實現了4 nm 范圍內波長可調的隨機激光輸出[23]。 本課題組基于銀納米線摻雜的柔性薄膜(PDMS) 隨機激光器，通過拉伸薄膜改變銀納米線的結構和濃度，間接改變了銀納米線的等離激元共振波長，實現從558 nm 到 565 nm 的隨機激光輸出[24]。磁場也可以用來調控散射顆粒的濃度，Chen 等人將磁性散射顆粒（四氧化三鐵）作為隨機激光的散射體，改變樣品所處環境中的磁場來調控四氧化三鐵在樣品中的分布情況，從而改變形成相干隨機激光的閉合回路，實現了了425 nm ～430 nm 范圍內波長可調的隨機激光[25]。從以上結果來看，改變散射體參數對隨機激光輸出波長的調控范圍還比較小，無法在整個可見光波段實現多色激光輸出。

另一方面，研究者們利用不同的增益材料來拓寬隨機激光的波長范圍，輻射波長覆蓋 380 nm 至 10μm。Cao 在ZnO 粉末中實現了紫外隨機激光器(380 nm)[4]。2011 年，Meng 利用金屬 @ 介質的核殼復合結構作為隨機激光器的散射體，與不同的增益介質(R101,DCM,O170) 混合后在 560 nm ～ 590 nm 波段實現了相干隨機激光輸出[26]。Ziegler 利用星形金納米粒子（“納米星”）與不同激光染料混合，實現了覆蓋可見光波到紅外光波范圍的隨機激光輸出(560 nm ～960 nm)，如圖 3 所示[27]。Liang 等人在量子級聯激光異質材料上制備隨機分布的小孔，這些小孔作為散射體為激光提供反饋，實現了中紅外波段的隨機激光（輻射波長在10 μm），這是目前報道的輸出波長最長的隨機激光器[28]。此外，人們還利用空間光調制器改變泵浦光的形貌來調控增益分布，實現對隨機激光輸出波長的調控。Bachelard 等人通過設計泵浦光照在微流體隨機激光器通道上的形狀激發出不同波長的隨機激光[29]。隨后，Leonett 通過泵浦光的形狀進行調控改變隨機激光體系內激光模式的相互作用[30?32]，改變了輸出激光的波長。綜上所述，通過改變增益介質實現了從紫外波段到紅外波段的隨機激光輸出。但是每種染料對光的吸收范圍不同，實現多色激光需要更換不同的泵浦源。這種調控泵浦光形貌的方法對波長的調控范圍都比較小，在10 nm 以內。多色光源器件往往要求在一個器件中同時實現多色輸出，因此實現單一波長泵浦源激發的多色隨機激光器引起了研究人員的關注。

圖2.(a) 不同直徑的散射顆粒形成的隨機激光發射譜，箭頭所指曲線為純染料熒光光譜，虛線為TiO2 粉末摻雜的樣品，(b)直徑為0.9 μm 的散射顆粒的透過率曲線及其實現的激光光譜，在透過率最小的波長范圍內產生激光輻射[18]。

圖3.金納米星與不同染料混合實現的隨機激光光譜，泵浦源是532 nm 的單脈沖激光，泵浦能量均高于激光閾值[27]。

能量轉移[33?35]是實現高效率、單一泵浦源激發多色隨機激光的主要手段[36?38]，當施主分子的發射光譜與受主分子的吸收光譜之間有一定的重疊區域時，部分處于激發態的施主分子的能量會通過輻射或無輻射的途徑傳輸給附近的基態受主分子[33,39]。根據施主分子與受主分子能量轉移過程分為輻射能量轉移和共振能量轉移兩類。當能量轉移分子對之間的距離大于 λ/10 時，它們之間的能量轉移是通過光子輻射完成的，即輻射能量轉移。相反，當能量轉移分子對之間的距離小于 λ/10 時，能量轉移過程中沒有中間光子參與，施主分子和受主分子通過偶極相互作用耦合，即共振能量轉移[10]，又稱福斯特 (F¨orster) 能量轉移。對于吸收光譜差別較大的多染料體系，能量轉移過程不僅可以簡化隨機激光的泵浦設備、減少泵浦源的數量[36,38]，而且為調控輸出激光的顏色提供了一個新思路；對于吸收光譜差別較小、可由同一泵浦源激發的多染料體系，能量轉移過程可以優化激光器的輸出性能。近年來，世界各國的研究者基于能量轉移過程在不同的隨機散射體系中實現了多色隨機激光輻射，包括不同增益材料之間的能量轉移[40]和同種染料分子的單體和二聚體之間的能量轉移[41]。 為了進一步系統地總結多色隨機激光器的發光特性，深入研究能量轉移過程在其中的作用機理，我們研究組在多色隨機激光的實現以及調控方面開展了一定的研究工作。

本文主要介紹基于能量轉移實現的多色隨機激光器的一些研究進展。從輻射能量轉移和共振能量轉移兩方面展開介紹，主要包括以下內容，(1) 介紹了基于能量轉移的雙色隨機激光器及其可調控輸出，并分析了其調控機理；(2) 總結了紅綠藍隨機激光器的設計方案以及輸出光譜特性。

II.基于輻射能量轉移的多色隨機激光器

基于輻射能量轉移的雙色隨機激光器通常是將不同的增益介質分開，通過級聯泵浦的形式實現多色激光輸出。

A.雙色隨機激光器

要建立輻射能量轉移的雙色隨機激光體系，首先要選擇合適的施主 – 受主對作為激光增益介質。由于激光染料羅丹明 6G (R6G) 的熒光光譜（圖 4a 中黃色實線）和 Oxazine 的吸收光譜（圖 4a 中紅色虛線）之間有重疊區域，它們之間可以實現高效的能量轉移。因此，我們選擇R6G 和Oxazine 分別作為施主分子 (D) 和受主分子(A) 來建立雙色隨機激光系統。這兩種染料的吸收光譜之間沒有交疊區域，無法用單一泵浦源同時激發這兩種染料，只能通過施主分子間接激發受主分子。其次，散射顆粒的選擇也很重要，等離激元增強型隨機激光器需要散射顆粒的等離激元共振峰與激光染料的熒光峰重疊。金銀雙金屬納米線（圖4b）表面具有豐富的“熱點”，不僅可以對局域光場產生很大的增強作用（圖4c），而且它的消光光譜在整個可見光波段連續不變（圖4d），將其作為散射顆粒，同時對R6G 和Oxazine 的輻射光產生等離激元共振增強[36,38,42]。我們將 R6G 粉末 (CR6G= 0.9 mM) 和 Oxazine 粉末 (COxazine=0.02 mM) 溶于金銀雙金屬多孔納米線懸濁液 (ρ = 1.01×108ml?1) 中，混合均勻后轉移至比色皿內，記作樣品R 和樣品O。

按照圖5a 的裝置示意圖搭建實驗光路，用532 nm脈沖激光器 （Continuum model PowerLite Precision 8000，脈寬為8 ns，重復頻率為10 Hz，光斑直徑為8 mm）泵浦樣品 R（黃色比色皿），R6G 分子的輻射光通過多次散射后被放大，實現黃光隨機激光輸出。黃光隨機激光垂直照射樣品O 的溶液中，Oxazine 分子吸收部分黃光激光的能量后輸出紅光，當紅光的增益超過它的損耗后實現紅光隨機激光，得到了如圖5b所示的雙色隨機激光[42]。雙色隨機激光系統輸出的黃光和紅光同時被光譜儀接收，測得的光譜如圖 5c 所示。當泵浦功率密度達到 0.69 MW/cm2時，在波長為577 nm 和650 nm 處出現很多小尖峰，對應著增益介質R6G 和Oxazine 的相干激光，表明該系統中同時實現了黃光和紅光隨機激光輸出。

我們進一步設計實驗驗證了輻射能量轉移在雙色隨機激光器中的作用。用 532 nm 的泵浦源直接泵浦樣品 O，直到當泵浦功率到增加到3.72 MW/cm2都沒有相干激光輸出（圖 5d）。實驗結果表明532 nm脈沖泵浦源無法激發Oxazine 實現相干隨機激光。此外，R6G 溶液對 532 nm 光源的吸收系數比 Oxazine溶液大幾十倍。以上實驗結果足以表明Oxazine 的隨機激光是由能量傳遞過程間接激發的。

B.液態紅綠藍隨機激光器

在實現雙色隨機激光的基礎上，我們進一步設計了紅、綠、藍三種隨機激光器的三級泵浦系統，得到了白光隨機激光輸出[44]。在級聯激發系統中，藍光頻段染料香豆素440 (C440)、綠光頻段染料香豆153(C153) 以及黃光頻段染料R6G 分別加入到相同濃度的金銀雙金屬納米線溶液中。經實驗研究，這三種染料的最終濃度分別是 1.67 mg/ml、0.417 mg/ml 以及 0.15 mg/ml，雙金屬納米線的濃度為 1.01 × 109ml?1。圖 6a 中的吸收和熒光光譜特性表明，三種染料的吸收波段沒有交疊區域，無法用同一光源泵浦。C153、R6G 的吸收波段分別與 C440 和 C153 的熒光波段有較大的重疊區域，在它們之間可以建立有效的能量轉移過程。圖6b 為實驗光路，首先用355 nm激光（Continuum model PowerLite Precision 8000，脈寬為8 ns，重復頻率為10 Hz，光斑直徑為8 mm）直接泵浦C440 溶液。C440 分子輻射的光經金銀雙金屬納米線多重散射放大后輸出藍光隨機激光，其中的一部分激光直接輸出，另外一部分光通過輻射能量轉移的形式將 C153 分子激發，并產生綠光隨機激光。同樣，C153 產生的激光中的一部分光直接輸出，另一部分作為泵浦源激發R6G 溶液產生黃光隨機激光，最終實現單一泵浦源激發的三色隨機激光同時輸出。

白光級聯激發隨機激光器的輸出光譜如圖 6c 所示，當泵浦光功率密度為0.537 MW/cm2時，三色隨機激光器的光譜中均出現了線寬小于1 nm 以下的相干峰，即三個隨機激光器中同時建立了相干反饋，實現了藍、綠、黃三個波段的隨機激光。由于在能量轉移過程中的熱損耗等因素使得用于泵浦的能量不斷減少，因此級聯隨機激光的強度隨泵浦級次的增加依次減小，這類級聯泵浦的多色隨機激光為設計可集成的白光隨機激光光源提供了實驗基礎。

圖4.R6G 和Oxazine 在的吸收光譜和熒光光譜， (b) 金銀雙金屬納米線的掃描電子顯微鏡圖，(c) 利用COMSOL 軟件對金銀雙金屬納米線周圍電場分布的仿真計算圖，(d) 金銀雙金屬納米線的消光光譜[36,38,43]。

圖5.(a) 實驗裝置示意圖，(b) 雙色隨機激光器的照片，(c) 雙色隨機激光器的輸出光譜，(d) 金銀雙金屬納米線與Oxazine構成的隨機激光器在532 nm 激光激發下的輻射光譜[42,43]。

圖6.(a) 三種激光染料的吸收光譜及熒光光譜，(b) 紅綠藍隨機激光器的照片，(c) 級聯泵浦隨機激光光譜[44]。

C.固態紅綠藍隨機激光器

相對于液態隨機激光器，形態穩定的固態隨機激光器更有利于封裝和集成。為了促進多色隨機激光器在集成光電子領域的應用，我們利用級聯激發的形式實現了固態紅綠藍三色隨機激光器（圖 7a）[45]。實驗中，我們選取銀納米顆粒作為隨機激光器的散射體，利用三種聚合物材料分別作為紅綠藍三色隨機激光的增益介質，它們是藍光聚合物 Poly [9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl]–End capped with DMP (PFO)，綠光聚合物Poly[(9,9-dioctylfluorenyl -2,7-diyl)-alt-co-(1,4-benzo- (2,1’,3)-thiadiazole)](F8BT)以及紅光聚合物Poly[2-methoxy-5-(3’,7’-dimethyloctyloxy)-1,4-phenylenevinylene](M DMO-PPV)。首先將 PFO (12.5 mg/ml) 、F8BT(8.5 mg/ml)、MDMO-PPV (22.5 mg/ml) 溶液與濃度為 4 mg/ml 的銀納米顆粒（圖 7b）溶液混合，并用超聲震蕩使增益介質和散射顆粒分散均勻。其次，將 MDMO-PPV@Ag 溶液、4%的 PVA 水溶液、F8BT@ Ag 溶液、4%的PVA 水溶液、PFO@ Ag溶液依次旋涂在玻璃基底上，相應的膜厚分別為150 nm、60 nm、150 nm、60 nm、150 nm。最終 “三明治” 形狀的隨機激光器結構如圖7c 所示，其中，PVA作為隔離層，避免了不同聚合物之間相互溶解。

圖7.(a) 紅綠藍多層膜隨機激光器的結構示意圖，(b) 銀納米顆粒的掃描電子顯微鏡圖，圖中的標尺代表 1 μm，(c)多層結構橫截面的掃描電子顯微鏡圖，圖中的標尺代表500 nm，插圖是多層膜頂部表面的原子力顯微鏡圖，標尺為400 nm[45]。

圖8.(a) MDMO-PPV 薄膜的消光光譜圖，(b) F8BT 薄膜的消光光譜圖，(c) PFO 薄膜的消光光譜圖，(d) 五層膜結構的消光光譜圖。以上消光光譜均為實驗測得的結果，其中，彩色空心圓圈代表沒有摻雜的聚合物薄膜的消光光譜，彩色實心圓圈代表銀納米顆粒摻雜的聚合物薄膜的消光光譜，實心黑色圓圈代表銀納米顆粒的消光光譜[45]。

圖8 為聚合物的吸收光譜以及銀納米顆粒摻雜的聚合薄膜的消光光譜。銀納米顆粒具有等離激元增強效應，為紅綠藍隨機激光提供強反饋。其表面等離激元共振峰在 350 nm 到 450 nm 之間（圖 8中的黑色曲線），用于增強泵浦光 (400 nm) 的光場。MDMO-PPV、F8BT、PFO 薄膜的吸收波段波長分別覆蓋了 300 nm ～ 600 nm（圖 8a）、360 nm ～560 nm（圖 8b）、300 nm ～ 450 nm（圖 8c），最強吸收的峰位分別在 490 nm、470 nm、370 nm 左右。從不同聚合物的消光譜中也可以看到銀納米顆粒摻雜的聚合物薄膜的消光譜強度均得到了增強。值得注意的是，這三種聚合物的吸收光譜范圍均覆蓋了泵浦光波長(400 nm)，都能被泵浦光激發實現激光輸出；而且MDMO-PPV 的消光光譜與F8BT、PFO 的熒光光譜均有交疊，F8BT 的消光光譜與 PFO 的熒光光譜也有較大的交疊面積，因此三個聚合物薄膜之間存在能量轉移過程。在該體系中，綠光和紅光聚合物染料可以同時被泵浦光和能量轉移中施主的激光所激發，因此需要利用能量轉移合理設計三個聚合物薄膜的堆疊順序來優化激光的輸出效率。一方面，為了實現紅綠藍三色激光同時輸出，需要避免F8BT、PFO 的輸出激光能量完全被 MDMO-PPV、F8BT 吸收，在實驗中三層有機聚合物薄膜的堆疊順序自下而上依次為 MDMO-PPV，F8BT 和 PFO。另一方面，由于三種薄膜之間存在級聯能量轉移，PFO、F8BT 的背向散射激光會被F8BT 和MDMO-PPV 吸收，該結構也提高了紅綠藍隨機激光的輸出效率。

制備完成的紅綠藍等離激元隨機激光器按照圖7a所示的方式進行泵浦和探測。泵浦光（波長為 400 nm，脈寬為 200 fs，重復頻率為 1 kHz）垂直泵浦多層薄膜的底端，在泵浦光入射的方向探測光譜。測得的光譜圖（如圖 9a）在中心波長為 636 nm、565 nm 和 467 nm 處有三個輻射峰，對應激光峰值半寬分別為 7 nm、10 nm 和 16 nm，表明在 MDMOPPV、F8BT 和PFO 三層薄膜中同時實現了隨機激光輸出。此外，光譜橢偏儀測得的MDMO-PPV、F8BT和PFO 層的折射率分別是1.7、1.8 和1.6，都比PVA(1.5) 和玻璃襯底 (1.4) 的折射率高。不同層之間的折射率差有利于在 “三明治” 結構的增益層中形成波導，將大量的散射光約束在波導層中，避免了不同介質層之間的相互作用。圖9b 為紅、綠、藍三色隨機激光的閾值圖，相應的激光閾值分別為 13 μJ/cm2、92μJ/cm2以及 104 μJ/cm2。不同泵浦功率密度激發得到的紅、綠、藍三色隨機激光的光強變化也不相同，因此改變泵浦功率密度可以改變多色隨機激光的色度。如圖9c，泵浦光對三色隨機激光的色度在一定范圍內實現了調控，但是調控范圍還比較小。此外，多層膜結構中各層薄膜的厚度以及不同聚合物層之間的能量轉移均會影響紅、綠、藍三組分的發光強度，從而影響合成白光隨機激光的色度。

隨著光纖集成技術的不斷發展，隨機激光器與光纖結合不僅可以促進隨機激光器的小型化和集成化，光纖器件獨特的波導特性也有利于控制隨機激光的輻射方向，促進隨機激光在傳感、通信、醫學等領域的應用。我們組將不同聚合物薄膜轉移到光纖端面，實現了三色隨機激光輸出[46]。實驗中，用光纖端面依次蘸取 MDMO-PPV@Ag 溶液、4%的 PVA 水溶液、F8BT@ Ag 溶液、4%的 PVA 水溶液、PFO@ Ag 溶液并烘干，最終的膜厚分別為400 nm、200 nm、2000 nm、200 nm、800 nm。層狀隨機激光結構如圖10a 和10b 所示，其中，增益層的折射率比 PVA 隔離層的折射率大，保證了增益層中的散射光形成波導。與以上所述紅綠藍薄膜隨機激光器不同的是，光纖端面面積較小，激光器本身散熱差[47]，需要將損傷閾值較大的聚合物薄膜置于靠近泵浦光的一側。在設計激光器時需要同時綜合考慮熱效應與能量轉移對激光輸出效率的影響，將損傷閾值低的MDMO-PPV 薄膜與破壞閾值高的F8BT 薄膜交換位置，泵浦光首先激發黃光隨機激光器，再依次激發紅光隨機激光器、藍光隨機激光器。

泵浦光（波長為400 nm，脈寬為200 fs，重復頻率為 1 kHz，光斑直徑為 1.5 mm）經透鏡聚焦到樣品表面，輸出激光用光譜儀 (Maya 2000 Pro，Ocean Optics) 在遠離泵浦端探測。圖10c 為光纖端面測得的發射光譜，發射光譜中在466 nm、572 nm 和638 nm處出現了三個激光峰，三種不同顏色的隨機激光混合在一起形成了白光隨機激光。該結構輸出的白光隨機激光的色度（圖10d）可通過調控泵浦功率密度靈活調控 (x ≈ 0.38.y ≈ 0.40)。

圖9.(b) 紅綠藍隨機激光器的光譜圖，(b) 紅綠藍隨機激光的閾值圖，(c) 紅綠藍隨機激光的光譜色度圖[45]。

圖10.光纖端面紅綠藍隨機激光器的 (a)結構示意圖，(b) 照片，圖中的標尺代表 300 μm，(c) 輸出光譜圖，(d) 光譜色度圖[46]。

III.基于共振能量轉移的多色隨機激光器

除了輻射能量轉移外，共振能量轉移在多色光輸出方面也起著重要的作用。在共振能量轉移過程中，基態的施主分子吸收能量后被激發，處于激發態的施主分子將一部分能量通過分子間相互作用轉移給受主分子，實現單一泵浦源激發的雙色隨機激光。

A.雙色隨機激光器

我們基于 R6G、Oxazine 之間的共振能量轉移(RET) 過程實現了單一泵浦源激發的雙色隨機激光輸出[38]。實驗中，我們將R6G(0.43 mg/ml)與Oxazine(0.008 mg/ml) 粉末溶解到金銀雙金屬納米線的分散液（濃度為 ρ = 7.6×107ml?1）中，混合均勻。共振能量轉移的建立需要施主分子和受主分子之間的距離小于λ/10（即56 nm），該實驗體系中染料分子之間的平均間距(15.8 nm) 小于福氏距離。此外，雙染料系統中溶液的擴散、納米線上多孔結構對染料分子的化學吸附作用、表面等離激元共振增強效應[48?52]等都可以提高供體和受體的接觸概率，保證了雙隨機激光器中兩種染料之間共振能量轉移的建立。雙色染料隨機系統由 532 nm 的脈沖激光（Continuum model PowerLite Precision 8000，激光器的脈度為 8 ns，重復頻率為10 Hz，最大單脈沖能量50 mJ，輸出光斑直徑為8 mm）泵浦。隨機激光的輸出光譜由光纖光譜儀(Ocean Optics model Maya Pro 2000) 記錄，光譜分辨率為0.4 nm。

圖11.(a) 雙色隨機激光器的光譜，(b) 波長在574.6 nm 處的激光閾值圖，(c) 波長在638.3 nm 處的激光閾值圖[38]。

雙色隨機激光器的輸出光譜如圖 11a，圖中以 573 nm 和 638 nm 為中心的兩個發射頻帶分別對應R6G 和Oxazine 的發射光。當泵浦功率密度為1.33 MW/cm2時，在這兩個頻帶內均有線寬為亞納米量級的小尖峰，即 R6G 和 Oxazine 兩種增益介質同時建立起了相干隨機激光共振。R6G 分子吸收泵浦能量后被激發，處于激發態的 R6G 分子將能量部分通過分子間相互作用轉移到 Oxazine 分子，Oxazine 被激發。R6G 和Oxazine 的輻射光經多重散射被放大，同時輸出黃光和紅光隨機激光。閾值圖 11b 和 11c 表明波長在574.6 nm 以及 638.3 nm 處的激光閾值分別為 0.87 MW/cm2和 1.01 MW/cm2。

考慮到雙色隨機激光器中可能存在輻射能量轉移和非輻射能量轉移兩種形式，我們用 570 nm（R6G的隨機激光中心波長）的脈沖激光源泵浦 Oxazine隨機激光器（0.02 mM），當泵浦功率密度為 2.53 MW/cm2時，在光譜圖 12 中只有自發輻射光譜。這說明該雙色隨機激光器中非輻射能量轉移起著關鍵作用[43]。

圖12.金銀雙金屬納米線與 Oxazine 構成的隨機激光器在570 nm 激光泵浦下的輻射光譜[43]。

B.雙色隨機激光器的調控

雙色隨機激光器輸出的能量被分為兩部分，精確地調控這兩種顏色的輸出光強比例是實現多色隨機激光光源的關鍵。我們針對R6G 與Oxazine 的共振能量轉移隨機激光體系，提出了兩種調控輸出光顏色的方法?；谀芰哭D移的熒光體系中，改變能量轉移效率可以改變兩種輸出光的強度比[43]?？紤]到雙色隨機激光器中的光環境極其復雜，無法在該隨機系統中運用傳統的方法計算能量轉移效率[33,34,39,53]。 因此，我們采用一個修正后的能量轉移系數近似表征能量轉移效率。

其中，ID和 IA分別表示R6G、Oxazine 兩個發射帶的積分強度。

圖13.(a) 隨機激光器的能量轉移系數 ηRET 隨著 QDA 的變化規律，(b) 紅光和黃光的比例系數 (IA/ID) 隨 QDA 的變化曲線，(c) 不同QDA 的雙色隨機激光器的發射光譜[43]。

圖14.(a) 雙色隨機激光器在不同泵功率密度下激發的輻射光譜，(b) 雙色隨機系統的ηRET 系數隨泵浦功率密度的變化關系曲線，(c) 不同隨機激光體系中，紅光和黃光的比例系數隨泵浦功率密度的變化關系，圖(b) 和(c) 中SF、DL、SL 分別代表穩定熒光區域、動態激光區域、穩定激光區域[43]。

1.施主/受主分子配比對輸出光的調控

能量轉移效率的定義式表明能量轉移效率與施主/受主分子之間的距離成反比[54]。施主/受主分子配比會改變分子間距通過調控不同增益材料的摻雜比例可以調控隨機激光器的輻射波長。Cerd`an 等人在含有不同染料摻雜的乳膠納米粒子懸浮體中[33?35,38]，通過改變羅丹明和尼羅藍染料混合的比例，實現了對黃光和近紅外激光光強的調控[40]。

我們設計實驗研究了 R6G 與 Oxazine 的濃度比例對隨機激光波長的調控作用[43]。將R6G（0.42 m-M）與Oxazine 分子以不同的比例混合后加入到金銀雙金屬納米線溶液（濃度為 ρ = 7.6 × 107ml?1）中，摩爾比 QDA(QDA= MR6G:MOxazine) 分別為 16.5、20.7、27.5、33.1 和 41.3。當泵浦功率密度為 1.59 MW/cm2時，ηRET隨著 QDA的增加而減少（如圖13a），由于對共振能量轉移效率對輸出波長具有調控作用，因此改變隨機體系的QDA值可以調控隨機激光的顏色。圖13b 為不同的隨機系統輸出雙色光強比(IA/ID) 隨QDA的變化曲線，紅光所占的比例會隨著QDA值的增加而減小。當濃度配比QDA為43.1時，輸出光譜在 573 nm 附近出現了線寬小于 1 nm的小尖峰，表明R6G 實現了激光輸出（圖13c）。此時Oxazine 的發射譜中只有很弱的小尖鋒，這是由于體系中的 Oxazine 分子較少，導致 R6G 與 Oxazine分子之間的距離較大、能量轉移效率不高。當濃度配比 QDA為 27.5 時，體系輸出的黃光隨機激光和紅光隨機激光在總輻射光中所占的比例相當（圖13c）。當濃度配比 QDA為 16.5 時，減小的分子間距使得能量轉移效率增加，大量的Oxazine 分子從R6G 激發態分子吸收能量后實現受激輻射光放大（圖13c）。因此，在光譜中Oxazine 產生的紅光隨機激光遠遠強于R6G產生的黃光隨機激光。

2.泵浦光對輸出光的調控

共振能量轉移體系中的局域光子態密度、光場的偏振特性、表面等離激元共振等光環境因素也會影響共振能量轉移效率[55?57]?？紤]到雙色隨機激光器中的光場環境極其復雜，如自發輻射和受激輻射的競爭、染料分子的非線性增益以及飽和吸收、等離激元共振對光場的增強等[47,48]。我們研究組首次研究了光環境對隨機激光體系中共振能量轉移過程的影響，總結了泵浦光對多色隨機激光體系中共振能量轉移的調控規律[43]。

雙色隨機激光器(QDA=20.7，CR6G=0.42 mM)在不同泵功率密度泵浦下測得的光譜如圖14a。當泵浦功率密度為 0.26 MW/cm2時，R6G 和 Oxazine 的輻射光均為熒光。泵浦功率密度達到0.66 MW/cm2時，在 568 nm 附近出現了幾個尖銳的峰，表明體系內建立了 R6G 的隨機激光。而當泵浦功率密度超為 1.22 MW/cm2時，638 nm 處也出現了小尖峰，實現了紅光隨機激光。能量轉移系數ηRET隨泵浦功率密度的演變規律如圖14b，當泵浦功率密度小于0.26 MW/cm2時，ηRET隨著泵浦功率密度的增加而緩慢減小，而且波動值很小，記作穩定熒光區域(SF)。當泵浦功率密度從 0.26 MW/cm2增加到 1.59 MW/cm2時，ηRET先從 0.80 減少到 0.34（@ 0.66 MW/cm2），然后再增加到 0.83。這個區間內每個功率密度下的 ηRET值都伴隨劇烈波動，記作動態激光區域(DL)。隨著泵浦功率密度進一步增大，ηRET最終保持在 0.8，并伴隨著很小的波動，記作穩定激光區域(SL)。以上實驗結果表明泵浦功率密度可以靈活地調控共振能量轉移系數，我們通過改變泵浦光的功率密度改變紅光和黃光的光強比值（IA/ID）。IA/ID隨泵浦功率密度的演變規律如圖 14c，在動態激光區域，輻射光中紅光的比例隨著泵浦功率密度的增加迅速減小。當泵浦功率密度超過 0.66 MW/cm2后，紅光的比例又開始迅速增加。IA/ID在穩定熒光區域和穩定激光區域保持在一個穩定值。這也進步一說明泵浦光對雙色隨機光的調控作用主要體現在動態激光區域。

C.紅綠藍隨機激光器

相比于雙色隨機激光，白光隨機激光在成像領域的應用更為廣泛。Liu 等人基于增益介質之間的能量轉移設計并實現了白光隨機激光器[37]。將增益介質C440(CC440=1.54 mg/mL)、香豆素6(C6,CC6=0.67 mg/mL) 和 Oxazine (COxazine= 4 mg/mL) 加入散射體TiO2納米顆粒的分散液中。在波長為355 nm的脈沖激光（Continuum model PowerLite Precision 8000，線寬為 8 ns，重復頻率為 10 Hz，輸出光斑直徑為8 mm）泵浦下，混合染料被激發出中心波長在431.8 nm，506.55 nm 和647.42 nm 的三個光譜尖峰（如圖 15a），對應的線寬分別為 6.28 nm，13.4 nm和20 nm。這三個輻射峰對應著藍、綠、紅三原色隨機激光，它們同時輸出并按一定比例疊加在一起形成明亮的白光，如圖15b 的照片所示。

圖15.(a) 白光隨機激光器的發射光譜，(b) 白光隨機激光器的照片[37]。

在混合染料隨機系統中，355 nm 泵浦源同時激發三種染料，每種染料獲得的增益較小，這也導致C440最終的激發峰稍有變寬。其次，在355 nm 激光泵浦下，C6 的激發光中的一部分光被 Oxazine 吸收，使得C6 發射光譜的線寬從40 nm 縮小到了13.4 nm，中心波長也移動到了506.55 nm。另外，泵浦光中用于泵浦Oxazine 的能量較弱，使得它的激發譜線寬較大，約為20 nm。最后，這一工作只是實現了非相干隨機激光，而且是在液態環境中實現的，為了進一步促進隨機激光器的應用，有待進一步設計新的結構實現可調控的固態白光相干隨機激器。

IV.總結與展望

多色隨機激光器在傳感、成像和光子芯片領域具有重要的應用價值，為了拓寬隨機激光的輸出波長范圍，增加隨機激光光源輸出波長的可調諧性，提高器件效率，研究者借助能量轉移，實現了高效單一泵浦源激發的多色隨機激光器。本文總結了基于輻射能量轉移、共振能量轉移實現的雙色以及白光隨機激光器的研究進展，包括固態、液態多色隨機激光器的設計和發光特性，能量轉移對雙色隨機激光的作用機理，施主/受主配比和泵浦光對多色隨機激光的調控規律等。這些研究結果為進一步設計集成化的白光隨機激光光源提供了思路。

多色隨機激光的相關研究發展迅速，取得了一系列進展。其未來的研究和發展趨勢可能會聚焦于：(1)鑒于白光隨機激光的色度調諧范圍不夠大，無法實現大范圍動態調控的研究現狀，可在新穎調諧技術方面進行拓展。比如，具有可微型化、可集成、易調節等優點的微流體體系；具有電場和溫度靈活調控的液晶體系等。(2) 鑒于大部分多色隨機激光器的實現仍局限于液態環境中，且大部分固態多色隨機激光器仍局限于非相干激光發射的現狀，可進一步探索新的固態結構實現高性能的多色相干隨機激光器。比如柔性白光隨機激光器，以促進隨機激光器在柔性光電子器件領域的應用。(3) 鑒于絕大部分多色隨機激光器仍局限于光泵浦條件的研究現狀，可在間接泵浦（如LD、LED泵浦等）、電泵浦方面進行拓展，同時保持與光泵浦隨機激光器的各項性能指標可比擬，以進一步推進多色隨機激光器件的微型化、集成化。(4) 鑒于隨機激光輻射非定向的屬性特點及其定向性發射的調控手段不夠豐富、有效的研究現狀，可在無序系統中引入各類微腔結構，通過精巧設計來實現多色激光輻射方向的完全調控。

致 謝

本研究得到了國家自然科學基金委項目（編號：61822501）的資助。