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文 |黎花夢汐
編輯 |黎花夢汐
●○前言○●
具有光學增益的無序材料，在人們的生活中有著重要的作用，這類材料是指在其結構中沒有長程有序排列的特點，能夠通過受激輻射產生光學增益，在光信號傳播中放大光的能力。
在光纖通信領域，具有光學增益的無序材料被用於光放大器，可以增強光信號的傳輸距離和質量，這對於實現高速、長距離的光纖通信網路至關重要。
而具有光學增益的無序材料在激光技術、光纖通信和光學感測等領域被廣泛的應用，為人們的生活和科技進步帶來了許多重要的創新。
●○隨機激光器添加材料後反應顯著○●
隨機激光器基於具有光學增益的無序材料，這些器件可以分別依靠光的漫射，或干涉行為表現出強度或共振反饋，而這導致激光模式的耦合或獨立操作。
而在由發光的電紡聚合物纖維製成的隨機激光器中，可以發現激射模式的數量，和它們的強度相關特徵在納米粒子摻雜時是可定製的。
通過材料工程，發現沿光纖長度的定向波導與增強強度，以及共振反饋隨機激光發射中的模式相關性相關。
那麼具有光學增益的無序材料是隨機激光器的構建模塊，其操作基於光的散射特性，這些設備可用於廣泛的應用，包括診斷並且沒有斑點，用於監測生物材料和結構變形的成像、光譜工具，以及新的激光投影儀方案和光學層析成像。
同時一些實驗性的理論，已經開發了使隨機激光器的行為合理化和調整其性能的方法，而在這個框架中，兩種主要類型的器件被區分出來並通過實驗進行觀察。
在所謂的強度反饋隨機激光中，光的傳播可以描述為放大的擴散過程，在忽略其干涉效應後，這種機制導致平滑且窄的發射峰，半峰全寬為幾nm。
相反，在共振反饋隨機激光中，多重散射的干涉起著主要作用，這可能導致光模的某種程度的空間局域化，並導致非常窄的激光峰值。
而最近已經通過降低泵浦光子的方向性，研究了RFRL到IFRL的轉變，這種轉變可能與模式的耦合有關，模式的耦合決定了類似縮合的過程，即羅丹明溶液中微米大小的二氧化鈦團簇集體振蕩的開始。
將這種躍遷的研究擴展到固態器件，對於理解如何定製隨機激光器的發射特徵，以及模式相互作用非常重要，但事實上，具有不同反饋或模間耦合的機制，應通過顯示增益特性的材料的組成和形態來改變無序度。
這些包括各種各樣的系統，塑料基質中的染料，有等離子體增強散射的亞波長粒子，與摻雜有金納米粒子的纖維素纖維，以及發光納米複合材料，可用於顯示器、有機激光器和納米光子學。
在這裡可以展示了如何在由電紡聚合物纖維製成的隨機激光器中，定製光譜特徵和模式強度相關特徵，該隨機激光器通過摻雜TiO控制局部無序，具有光學增益2納米粒子。
而纖維在器件中充當多功能組件，提供受激發射、沿其縱軸的波導以及由於其折射率和圓柱體的適度散射，這些性質導致IFRL具有高度相互作用的共振，導致強相關的隨機激光發射。
同時簇狀TiO2粒子在複雜材料中提供了額外的彈性散射和反饋，並被發現以離散的和更弱相互作用的激光模式驅動系統到RFRL。
通過對收集模式的方向性選擇，RFRL到IFRL轉換的開始也被探測以減少導向輻射，這些結果是波導在增強隨機激光器模式耦合中的作用的第一個實驗證據。
在製作了由無序的靜電紡聚苯乙烯纖維墊摻雜，以及7-雙-9-咔唑作為增益材料，並且任選嵌入的TiO提供了進一步的無序度2粒子。
而選擇PS作為熱塑性聚合物，其折射率約為1.6，並且在可見光和近紅外區域，具有良好的光學透明性，與其他透明聚合物相比，導致波導具有低傳播損耗和改進的模式限制。
同時彈性模量和熱性能的靜電紡絲PS纖維，在基於它們製造塑料激光器在室溫下工作時是穩定的，而Fl-Cz-Fl是一種藍色發光化合物，其特徵在於芴和咔唑部分排列成取代模式，並顯示出高發射量子產率和大輻射衰減率。
而Fl-Cz-Fl扭曲的分子結構和龐大的外圍部分，會導致高Tg確保形成穩定的非晶相，靜電紡絲技術在生產幾乎一維的聚合物結構方面非常有效，包括發光納米纖維，如果假設所用的帶電溶液，則顯示出足夠量的大分子纏結。
再加上混合纖維可以直接電紡，將納米顆粒結合到有機細絲中，通過嵌入的成分來定製光學特性，而該方法非常便於實現，是由具有光學增益的發光光纖製成，並組裝成板狀的隨機激光器。
但實際上，平板激光發射的臨界厚度，是由t = π(lGlT/3)1/2給出，而對於塑料基質中的激光染料，lG可能是幾百微米的數量級，而lT在我們的電紡纖維膜中，通過相干背散射實驗估計在2-10微米範圍內。
這導致了t約100微米的值，而這完全在通過靜電紡絲容易獲得的厚度範圍內，同時這裡實現的有機纖維顯示出大約4微米的平均直徑。
具有微米級粗糙度和大致圓柱形的主體，而TiO2顆粒也可以在纖維內聚集，形成尺寸高達幾個微米，從而為傳輸的光引入額外的彈性散射。
在白色照明條件下，紫外激發下的靜電紡絲墊的顯示光譜大部分是平滑的，只有在頂部有輕微的特徵，這歸因於IFRL。
而取而代之的是摻雜TiO的纖維的發射光譜2粒子是尖銳的，具有幾個窄的峰，其波長在改變激發能流時非常穩定。
而這些特徵顯然是RFRL的，同時在發現激光發射的明確的激發閾值約為15mj，，並且在大約20毫焦耳厘米處。
對於純有機物和二氧化鈦摻雜光纖，即光致發光信號會隨著激發能流的增加，而微弱地且很大程度上線性地增長。
同時人們還可以預期來自周圍區域的放大自發輻射的間接泵浦，對模式激發的顯著貢獻，其在由聚合物非織造材料構成的有機板中被波導。
而且先前的工作已經顯示了，沿著隨機取向的納米纖維網路定向引導的ASE成分的持久性，在嵌入二氧化鈦後激光閾值的增加，同時粒子與相應減少的特徵散射平均自由程相關。
該特徵散射平均自由程，是由ASE沿著激發條紋的定向泵浦所經歷的，通過各種方法將允許基於光纖的隨機激光器的激發閾值降低，以及包括結合的金納米粒子，利用等離子體增強的光散射。
添加TiO2納米粒子和增加的局部無序度，可以清楚地將基於光纖的隨機激光器，從多模IFRL模式驅動到RFRL模式，有很少的離散激光模式，在這方面，從更平滑到更尖峰的發射，到這種轉變成一種明確的方式，與無序介質的組成和形態複雜性相關聯。
而TiO中存在兩種不同的散射成分摻雜纖維墊，是具有高度拉長形狀的聚合物細絲，並且沿著它們的軸具有波導能力和無機顆粒，可為了更好地使不同散射體的貢獻合理化，我們考慮了具有和不具有TiO的樣品的發射光譜中，不同模式的強度的相關性納米粒子。
為了更好地突出如何C根據波長，可以繪製含和不含TiO的Fl-Cz-Fl/PS纖維光譜，而光纖隨機激光器的高度相關的光譜區域，在自相關對角線嵌入TiO後納米粒子進入發光纖維墊。
以非常不同的方式變得有紋理，在疊加到自相關對角線的網格圖案為特徵，而這突出了主峰波長的較低的相互相關性，暗示了光譜相鄰模式之間建立的相對較差的相互作用
而這些發現與最近報道的，具有膠體散射體的凝膠狀增益介質中激光隨機起伏的結果相一致，可事實上，由垂直和水平交叉線定義的點，只有在屬於自相關對角線時才高度相關，而在激光材料中添加粒子導致出現相關值< 0.5的離散激光峰值對，即具有適度的強度相關性。
●○不同形狀的斑點激發○●
對於由具有納米顆粒散射體的增益溶液製成的隨機激光器，用不同形狀的斑點激發，鎖模轉變與從共振到非相干反饋機制的變化相關，並且與激發的方向性和模式的空間重疊相關。
在空間上距離較遠或弱重疊的模式，可能僅部分地相互作用，這裡在相同的激發幾何形狀下，Fl-Cz-Fl/PS光纖根據TiO呈現IFRL或RFRL光譜特性2摻雜，而兩個研究樣品的平均強度相關性很高，證明模式相互作用甚至在RFRL機制中也起作用。
這種奇特的行為是由於影響由納米纖維組成的，複雜材料中的光子傳輸的各種相互作用機制，除了形狀因子取決於激光波長和纖維橫截面的光散射之外，電紡發光聚合物細絲可能顯示出，顯著的波導特性。
在其設置中，激髮帶足夠大，以泵浦大量光纖，因此沿不同方向觸發不同的波導模式，沿著單個電紡纖維長度傳播的自發射光的損耗係數γ低至小於100厘米，而對應於幾十微米的有效光子傳輸，這可能有利於本來重疊較差的模式的耦合，從而導致相關的激光模式。
通過隨機環形諧振器的形成，在具有確定的梳狀光譜發射的染料摻雜光纖中，發現了類似的行為，然而與以前的工作不同。
●○寫在最後○●
這裡通過測量作為變化距離的函數的發射強度來量化波導效應，從對準的Fl-Cz-Fl/PS光纖的發射邊緣，開始的激發區域的數字輸出強度隨著增加而降低。
該值與有源聚合物平板波導的傳播損耗係數相當，這表明沿著無序纖維網路的有效光傳輸，而單根光纖的光學限制特性和光纖間的耦合，都可能有利於毫米距離上的波導。
而電紡纖維材料的這些性質，使得它們對於隨機激光應用以及研究由增強的光傳輸促進的耦合機制非常感興趣。
