一种喷墨打印制作随机激光系统的方法

摘要

本发明属于激光技术领域，涉及一种喷墨打印制作随机激光系统的方法，先将打印墨水装入打印的针管中并使打印墨水自由流入针尖尖端，再将柔性基底固定在电极板上，在针尖和电极板之间施加高电压，针管在竖直方向自由移动，柔性基底的移动通过外接的电脑端程序实现控制，根据电脑端预先设置的程序移动柔性基底，从而实现不同形状结构的打印，打印结束后将得到的样品静置凝固，获得基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统；设计简单直观，方法灵活便捷，原理可靠，易于实现，采用柔性材料PDMS作为基底，增加随机激光的可弯曲、可折叠性，更易于与其他光子器件耦合且可实现基底的力学参数调节对随机激光性质的定量控制。

权利要求

1.一种喷墨打印制作随机激光系统的方法，其特征在于先将打印墨水装入打印的针管中并使打印墨水自由流入针尖尖端，针尖安装在针管下方并与针管相连，再将柔性基底固定在电极板上，并随着精密控制移动平台在水平面内实现微纳级别的移动，在针尖和电极板之间施加高电压，用于控制打印墨水的喷射流出状态，确保打印墨水能够流畅喷出并打印于柔性基底表面；针管在竖直方向自由移动，控制针尖和柔性基底之间的距离；柔性基底的移动通过外接的电脑端程序实现控制，根据电脑端预先设置的程序移动柔性基底，从而实现不同形状结构的打印，打印结束后将得到的样品静置凝固，获得基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统，并进行随机激光发射的激发和测试；所述打印墨水是将石墨烯和罗丹明6G两者分别分散在不同的溶剂中，按照一定的质量比混合，形成打印所需的墨水，溶剂和混合质量比根据实际需求进行选择；针管采用注射针管，通过针尖直径的调节实现不同线宽结构的打印；电极板和针尖之间施加高电压用于控制墨水的喷射流出；精密控制移动平台用于控制柔性基底的移动实现不同结构的打印，打印所需设备在普通室内环境即可，无需超净化房间；柔性基底为PDMS(聚二甲基硅氧烷)柔性基底。

2.根据权利要求1所述喷墨打印制作随机激光系统的方法，其特征在于所述基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统在激发和测试时需要利用脉冲激光作为泵浦光进行激发泵浦，泵浦光的能量变化影响激光发射光的强度。

说明书

一种喷墨打印制作随机激光系统的方法

技术领域：

[0001] 本发明属于激光技术领域，涉及一种制作石墨烯增强型随机激光工艺，特别是一种喷墨打印制作随机激光系统的方法。背景技术：

[0002] 随机激光(Random Laser)，是在无序散射体系中受激发射经过多重散射获得非线性增强而产生的激光。不同于需要精密调控谐振腔的传统激光器，随机激光不需要传统的激光腔，而是依赖于光子的局域化。人们基于半导体纳米结构、聚合物薄膜、量子点、生物组织、光子晶体等实现了随机激光的产生和调控，随机激光具有体积小、质量高、无腔发射的特点，在光学集成方面具有很大的应用潜力。随机激光借助于散射效应提供反馈机制，在散射系统中，纳米结构和纳米阵列历来是研发的重点。不同能带特征的金属纳米结构、具有局域等离子共振效应的金属纳米粒子以及石墨烯和碳纳米管等新型碳材料都有望成为优异的随机激光散射体，实现高功率、低阈值的随机激光发射。

[0003] 随着科技的发展和人们对智能穿戴等便捷生活的追求，柔性显示因其可折叠、高亮度、超薄性等优点得到科研人员的青睐。基于柔性基底的激光器件有望应用于微型传感器、平面显示、OLED发光、信息通信等领域。在柔性显示中，获得品质好、低损耗、高亮度的光源仍是工业化应用中急需解决的难题。将随机激光与柔性基底相结合，将会进一步发挥随机激光的优势，提高成像质量、获得三维空间激光，实现随机激光器与不同光电子器件的集成，将进一步促进柔性显示和随机激光的应用。

[0004] 随着石墨烯和碳纳米管等新型碳材料的发展应用，基于碳材料的激光研究和应用也逐步走入人们的视野。已有研究人员设计了一种基于石墨烯的可饱和吸收特性的激光器，利用环形光纤激光器结构实现通信波长的激光脉冲输出，该激光器基于石墨烯的随机超材料无腔激光发射，通过借助染料的增益和石墨烯的反馈，散射效应大大增强，有效提高光子的反馈效率，降低随机激光阈值，促进随机激光性能的提升。

[0005] 随机激光的研究主要基于玻璃或石英基底，或是将掺杂有增益介质和散射体的溶液置于小的毛细管中，通过光泵浦来实现激光发射；也有人员将微结构嵌入光纤中以缩小激光器的整体尺寸，提高发光效率，扩大应用潜力。但是制作过程多采用旋涂成膜的方法，一是较难控制膜层的质量，二是无法实现特定区域特定结构的制作。随机激光的开发研制存在着降低泵浦阈值、器件小型化、定量控制发光参数的挑战。加之不易操控的基底材料不但影响激光出射强度，更因其体积大不便于耦合，在一定程度上限制了随机激光器件的发展和应用。发明内容：

[0006] 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，针对现有技术中存在的问题，提供一种全新便捷的喷墨打印制作随机激光系统的方法，通过喷墨打印技术在柔性基底材料上打印出石墨烯和染料混合材料的阵列，在光泵浦下实现随机激光的发射，喷墨打印技术制作的随机激光系统可以根据程序化设计阵列类型、尺寸和厚度，从而可以有效调节激光出射的波长、模式等参数，通过石墨烯作为散射体增强染料荧光效应，降低激射阈值，获得高效可控的随机激光。

[0007] 为了实现上述目的，本发明通过喷墨打印技术制作随机激光系统的具体过程为：先将打印墨水装入打印的针管中并使打印墨水自由流入针尖尖端，再将柔性基底固定在电极板上，并随着精密控制移动平台在x-y平面(水平面)内实现微纳级别的移动，在针尖和电极板之间施加高电压，用于控制打印墨水的喷射流出状态，确保打印墨水能够流畅喷出并打印于柔性基底表面；针管在z方向(竖直方向)自由移动，控制针尖和柔性基底之间的距离；柔性基底的移动通过外接的电脑端程序实现控制，根据电脑端预先设置的程序移动柔性基底，从而实现不同形状结构的打印，打印结束后将得到的样品静置凝固，获得基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统，并进行随机激光发射的激发和测试。

[0008] 本发明所述打印墨水是将石墨烯和罗丹明6G两者分别分散在不同的溶剂中，按照一定的质量比混合，形成打印所需的墨水，溶剂和混合质量比根据实际需求进行选择，罗丹明6G作为增益介质获得荧光放大效应，石墨烯作为散射体实现荧光增强获得激光，由于石墨烯的添加，从而使得随机激光系统中光子散射增强，阈值降低，效率提高。

[0009] 本发明所述针管采用注射针管，通过针尖直径的调节实现不同线宽结构的打印；电极板和针尖之间施加高电压用于控制墨水的喷射流出；精密控制移动平台用于控制基底的移动实现不同结构的打印，打印所需设备在普通室内环境即可，无需超净化房间。

[0010] 本发明所述柔性基底为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，成本低廉、使用简单，对打印墨水具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性，PDMS可以实现不同程度的弯曲和拉伸，从而可以定性定量改变随机激光的发射特征。

[0011] 本发明得到的基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统中，打印墨水粘贴于PDMS基底的表面，并随着基底的弯曲实现形变，从而调节随机激光的发射性质。

[0012] 本发明基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统在激发和测试时需要利用脉冲激光作为泵浦光进行激发泵浦，泵浦光的能量变化影响激光发射光的强度。

[0013] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是通过打印的方式实现石墨烯与染料混合液的制作，方法灵活便捷，可以实现一维、二维、三维不同维度和不同形状的结构打印，如线型、点状阵列、三维格点等；二是在打印过程中通过对打印的参数控制，可以自由改变打印结构的线宽、墨水喷射速度、打印结构层数等，所有打印过程程式化、自动化，利于批量生产；三是通过高电压实现墨水的喷射打印，缺陷少、效率高，对环境的依赖程度小，对基底平整度要求低；四是使用石墨烯作为随机激光散射体，对光子的散射效应更强，获得高调率、低阈值的随机激光；五是采用PDMS柔性基底，基底材料可弯曲，通过对基底材料的弯曲或拉伸，可以自由调节随机激光的出射模式、波长、阈值等性质；其设计简单直观，方法灵活便捷，原理可靠，易于实现，采用柔性材料PDMS作为基底，增加随机激光的可弯曲、可折叠性，更易于与其他光子器件耦合且可实现基底的力学参数调节对随机激光性质的定量控制。附图说明：

[0014] 图1为本发明所述喷墨打印系统的主体结构原理示意图。

[0015] 图2为本发明所述基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统示意图。

[0016] 图3为本发明所述基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统，发射构型图，其中泵浦光为脉冲激光，光纤收集器与外接的光谱仪相连用于收集激射光谱。

[0017] 图4为本发明实施例涉及的基底不同弯曲程度下随机激光光谱测量模型示意图，其中(a)-(c)弯曲程度越来越大，d和l分别表示PDMS薄膜初始宽度和长度，Δd和Δl分别表示弯曲后在长度和宽度的改变量。具体实施方式：

[0018] 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。

[0019] 实施例：

[0020] 本实施例所述喷墨打印系统主体结构包括针管、针尖、打印墨水、高压电、PDMS柔性基底、电极板和精密控制移动平台，针尖安装在针管下方并与针管相连，针管实现z方向(竖直方向)的自由移动，从而控制针尖和PDMS柔性基底之间的距离，实现打印墨水的喷射流出；PDMS柔性基底置于电极板上方，在x-y平面内随着精密移动平台的运动实现微纳级别的移动，从而获得不同形状的打印结构；在针尖和电极板之间施加高电压(一般在几百伏到数千伏)，通过电场力的作用促使打印墨水从针尖喷出，粘附于PDMS柔性基底表面；针管和精密控制移动平台的移动通过外接电脑端实现程序化控制，确保打印过程的自动化和高效率。

[0021] 本实施例所述电极板和精密控制移动平台之间放置一绝缘材料隔离层，一是确保电极板和针尖之间因为施加的高电压而产生电场促使打印墨水的喷射；二是避免高电压击穿精密控制平台电路，影响打印过程中平台的移动。

[0022] 本实施例所述喷墨打印过程中所用打印墨水为包含石墨烯和有机染料罗丹明6G的混合液，先将石墨烯分散于环己酮/松油醇中，并与分散好的罗丹明6G的乙醇溶液按照质量比1:1的比例进行混合，确保混合液具有一定的黏度以利于打印，由此实现最强的光增益反馈，获得随机激光的出射。

[0023] 本实施例所述PDMS柔性基底是将将PDMS均匀涂膜于硅胶玻璃表面并进行热处理，获得的表面平整、厚度在数十微米薄膜。

[0024] 本实施例将PDMS柔性基底置于喷墨打印系统上进行结构的打印制作，获得图2所示的打印阵列，打印结束后将得到的样品静置凝固，然后将覆有打印墨水的PDMS柔性基底从硅胶玻璃表面剥离，形成的结构中石墨烯片层和染料分子均匀的分散于打印图形中，在PDMS基底和打印结构中形成一波导层，实现对光子的局域增强和多重散射，从而获得基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统，其激光发射构型图如图3所示，采用波长532nm的脉冲激光作为泵浦光激发所制作的基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统，由于有机染料的荧光效应和石墨烯对光子的散射效应，在PDMS柔性基底基底和石墨烯-染料层中产生光子的多次散射，实现光的增益放大，获得激光，泵浦光沿着45°入射到样品系统表面，样品结构和染料一侧面对着激光入射的方向，在随机激光系统的另一侧垂直于基底表面放置光纤收集器，汇聚和接收样品的激射光并通过光谱仪形成激射光谱图。

[0025] 本实施例所述基于柔性基底的石墨烯增强型染料的随机激光系统通过打印过程中针尖的选择、电压的控制和针尖与基底距离的控制，可以获得线宽在几微米到几百微米的阵列，可以打印实现一维光栅、二维栅格等平面状结构；或是采用逐层打印获得三维的结构及厚度不同的阵列。

[0026] 本实施例选择石墨烯-染料打印墨水，具有以下原因：使用石墨烯作为随机激光散射体，对光子的散射效应更强，有利于光子在波导层的多次散射，实现更高的增益，获得高调率、低阈值的随机激光。

[0027] 本实施例采用柔性材料PDMS作为基底，主要有两方面的作用：第一，可以增加随机激光的可弯曲、可折叠性，更易于与其他光子器件耦合，扩展其应用范围；第二，通过改变基底材料的弯曲性质，改变随机激光输出的波长、模式、强度、阈值等性质，基底不同弯曲程度下随机激光光谱测量模型示意图如图4所示，对柔性结构施加一定的力使其弯曲，记录随机激光发射的光谱的改变情况，用Δd和Δl定量衡量柔性基底的弯曲大小，实现基底的力学参数调节对随机激光性质的定量控制。

[0028] 本实施例选择喷墨打印技术实现随机激光的制备，具有以下原因：一是喷墨打印技术成型方便快捷，可以实现一维光栅、二维栅格、三维阵列的打印成型，成本低、效率高，能够批量打印制作；二是打印过程能够实现程式化、自动化控制，可以自由改变打印结构的线宽、墨水喷射速度、打印结构层数等，通过高电压实现墨水的喷射打印，缺陷少、品质高，对环境的依赖程度小，对基底平整度要求低。