论文摘要
聚合物光子学是通过融合聚合物特性和光子学原理,以发展聚合物光子学器件及其应用为目标的一门学问,已成为推动信息技术发展不可或缺的新生力量。各种性能优异的聚合物光子学材料不断涌现,极大地丰富了聚合物光子学的研究领域。聚合物光子学的进一步发展,要求开发新的聚合物光子学器件,尤其是微纳米尺度的三维光子学器件。传统的以光刻蚀技术为代表的微加工技术大多属于平面加工技术,并不适合三维微结构的加工,难以实现三维集成光学器件的制备。目前,这个问题已经成为制约聚合物光子学进一步发展的“瓶颈”,亟待解决。本论文的研究目的是,针对激光染料在聚合物中易团聚而导致其发光特性降低的问题,运用新型聚合物材料提高激光染料在聚合物中的分散性,从而达到提高激光染料在聚合物中的发光特性的目的。在此基础上,采用自组装技术和双光子三维微加工技术,探索三维光子学微结构与器件的制备方法,研究这类微结构与光相互作用的机理与调控机制,为发展新型聚合物光子学器件提供途径与基础。本论文由六章组成,各章具体内容如下:第一章:本章详细介绍了相关研究背景,围绕着聚合物光子学这一前沿领域所涉及的材料、器件以及加工方法进行了综述。分析了聚合物光子学器件制备所面临的问题,阐述了本论文的目的、意义和内容。第二章:本章利用激光染料掺杂聚合物的方法制备了固体荧光介质。针对荧光素染料在聚合物中溶解性差的问题,对荧光素染料进行化学修饰,通过引入烯丙基改善了荧光素染料在聚合物中的溶解性。进一步在荧光素掺杂聚合物体系中引入碳硅烷树枝状化合物。荧光素的烯丙基改性和碳硅烷树枝状化合物的引入提高了染料的溶解性,抑制了染料的自聚集、自猝灭现象,避免了染料分子间的能量转移,提高了体系的发光性能。通过制备的烯丙基荧光素/碳硅烷树枝状化合物/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜和罗丹明B/聚甲基丙烯酸甲酯薄膜作为固体荧光介质,为构筑微尺度发光器件提供了高发光效率介质。第三章:本章采用自组装技术制备了光学波段的二氧化硅三维光子晶体,由于光子晶体的光子带隙会对特定波长的光进行反射,可以作为光学反射镜使用,为研究光与光子晶体结构的相互作用、构筑基于三维光子晶体的微尺度发光器件提供了有效途径。进一步采用两片三维光子晶体与激光染料掺杂聚合物发光介质成功构筑了“夹心结构”的新型光学谐振腔。第四章:本章重点研究了上述光子晶体谐振腔对激光染料掺杂聚合物膜的自发辐射行为的调控。在荧光素染料掺杂聚合物膜作为荧光介质的光子晶体谐振腔中成功观察到了激射行为,并用光子晶体的光子带隙效应解释了这种激射行为发生的机制。同时,利用二氧化硅光子晶体的“超棱镜效应”成功地解释了实验中观察到的异常的激射出射角度。在罗丹明B染料掺杂聚合物膜作为发光介质构筑的光子晶体谐振腔中成功地观察到了放大自发辐射现象。利用光子晶体的光子带隙带边效应这一现象进行了解释,并通过光子晶体谐振腔的荧光寿命测试实验,为光子晶体谐振腔的调制效应提供了实验依据。本章的研究工作为开发基于二氧化硅光子晶体的新型微尺度固体激光器及其光学行为研究提供了新的思路。第五章:本章研究了采用双光子加工技术提高加工分辨率和制备聚合物包埋结构的方法。涉及两个方面的内容。第一,研究了提高双光子加工分辨率的方法。通过精细调节激光功率和曝光时间,得到一系列不同粗细的悬空线。研究表明,激光功率和曝光时间不仅可以提高悬空线的加工分辨率,而且可以调节悬空线的形貌。第二,提出了一种“二次聚合”制备聚合物包埋结构的方法。通过双光子加工技术,在热固性聚合物SU-8内部选择性地形成SU-8/PMMA高分子互贯网络,从而制备了聚合物包埋结构。利用荧光素染料作为标记材料,采用共聚焦荧光显微镜表征了所形成的聚合物包埋结构。本方法为微尺度聚合物衍射光栅、聚合物光波导等集成光子学器件的研究开发提供了新途径。第六章:本章对本论文的研究工作和结果进行了总结,并对未来研究进行了展望。
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