CN102104230A

CN102104230A - 微光纤闭环激光器及其制备方法

Info

Publication number: CN102104230A
Application number: CN 201110024300
Authority: CN
Inventors: 童利民; 李威
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-22
Filing date: 2011-01-22
Publication date: 2011-06-22

Abstract

本发明公开了一种微光纤闭环激光器及其制备方法。CO₂脉冲激光器在任意波形发生器调制下输出单个脉冲，经ZnSe透镜会聚于一点；将一段掺杂微光纤弯曲至首尾搭接，并将搭接点置于透镜的焦点，通过单脉冲激光来熔接微光纤使之成为一个闭合环形谐振腔；该闭环腔与一根双锥形微光纤在锥腰处相切组合而形成微光纤闭环激光器。本发明的CO₂激光器单脉冲熔接微光纤的方法具有装置简单、成本低廉、过程可控、微光纤熔接损耗低等特性；本发明的激光器具有小型化、制备简单、结构牢固、易于集成、输出特性稳定等特性。目前铒镱共掺的单纵模微光纤闭环激光器在1.5μm的工作波段获得最大的功率输出为2.3μW，且阈值功率仅2.4mW。

Description

微光纤闭环激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微光纤熔接技术、微光纤元器件制备方法，尤其是涉及一种微光纤闭环激光器及其制备方法。

背景技术

近年来，微纳光子学的发展使得微光学元件尤其是微型激光器（如微盘激光器、微光纤环形结激光器、微球激光器等）、微型激光传感器、微型光放大器等有源的功能器件具有极其广泛的应用前景。其中中国专利CN1851989A公开了一种微光纤环形结激光器，它是将掺杂微光纤制成环形单结谐振腔，通过两根锥形光纤分别作为泵浦光的输入端和激光的输出端。这种环形单结的结构虽然制备简单但是因其结区仅靠范德华力和摩擦力等维持，结构不够稳定，容易受到外界机械力、结本身的热胀冷缩等影响而导致谐振腔腔长和模式发生变化，进而影响激光器的输出波长、功率等的稳定性。这也进一步限制了其在有源传感领域尤其是液体环境传感的应用。

作为掺杂离子的玻璃基质，非氧化硅的软玻璃材料（磷酸盐、碲酸盐、氟化物或硫化砷玻璃等）因其能提供更高的折射率、更大的非线性系数、更宽的光学传输范围（氧化硅在中远红外不透明）以及能以更高的浓度掺杂各种有源离子（如稀土离子、量子点等）而被冠以功能玻璃的称号。但是相比于氧化硅玻璃，软玻璃材料的软化点更低，且转变温度的范围更窄，因此用软玻璃材料制备的微光纤在熔接时面临一个难点，即如何精确控制熔接点的温度和熔接时间的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微光纤闭环激光器及其制备方法，并且利用这种方法制备结构更为稳固的微光纤闭环激光器。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：

一、一种微光纤闭环激光器：

掺杂微光纤闭合环形谐振腔与双锥形微光纤在锥腰处相切组合而形成微光纤闭环激光器。

所述的掺杂微光纤直径为1-6μm，掺杂微光纤闭合环形谐振腔直径为0.5mm~5mm；所述的双锥形微光纤的锥腰处直径为0.8μm ~3μm。

二、一种微光纤闭环激光器的制备方法：

CO₂脉冲激光器在任意波形发生器调制下输出单个脉冲，经ZnSe透镜会聚于一点；将一段掺杂微光纤弯曲至首尾搭接，并将搭接点置于透镜的焦点，通过单脉冲激光来熔接微光纤使之成为一个闭合环形谐振腔；一根双锥形微光纤与掺杂微光纤闭合环形谐振腔在锥腰处相切，以倏逝波的形式耦合光信号,其两端分别用作该微光纤闭环激光器的泵浦光输入端和激光输出端。

所述的单脉冲的宽度在1~190μs范围内可调，调控精度为1μs。

所述的熔接损耗为0.15dB～0.2dB。

本发明具有的有益效果是：

本发明的CO₂激光器单脉冲熔接软玻璃微光纤的装置及方法具有装置简单、成本低廉、过程可控、微光纤熔接损耗低等特性；本发明制备的微光纤闭环激光器具有小型化、制备简单、结构牢固、易于集成、输出特性稳定等特性。目前铒镱共掺的单纵模微光纤闭环激光器在1.5μm的工作波段获得最大的功率输出为2.3μW，且阈值功率仅2.4mW。

附图说明

图1是本发明的微光纤闭环激光器结构原理示意图。

图2是本发明的制备微光纤闭环激光器的装置示意图。

图3是本发明的微光纤闭环激光器的激光特性图，插图所示为输出激光功率随泵浦光功率的变化曲线。

图中：1、微光纤闭合环形谐振腔，2、双锥形微光纤，3、锥腰处，4、CO₂脉冲激光器，5、ZnSe透镜，6、CCD，7、50倍物镜，8、微光纤搭接点，9、CO₂脉冲激光器的单脉冲输出控制模块（虚线内），10、CO₂激光器控制器，11、任意波形发生器。

具体实施方式

以下结合具体实例和附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明的微光纤闭环激光器是由掺杂微光纤首尾两端熔接形成闭合环形谐振腔1，并与双锥形微光纤2在锥腰处3相切组合而成的；双锥形微光纤以倏逝波的形式与闭合环形谐振腔相互耦合光信号,其两端分别用作该微光纤闭环激光器的泵浦光输入端和激光输出端。

图2所示为本发明提出的针对软玻璃材料微光纤熔接尤其是微光纤闭合环形谐振腔的熔接的装置示意图，CO₂脉冲激光器4在脉冲控制模块9（激光控制器10的周期脉冲序列在任意波形发生器11输出的单个脉冲信号的门控下产生单个脉冲触发信号，使得CO₂激光器输出单脉冲激光）的调制下输出单个脉冲，经ZnSe透镜5会聚于一点；将一段掺杂微光纤弯曲至首尾搭接，并将搭接点8置于透镜的焦点，通过单脉冲激光来熔接微光纤使之成为一个闭合的环形腔。

所述的脉冲宽度可从1~190μs可调，调控精度为1μs；所述的熔接损耗为0.15dB～0.2dB。

本发明制备过程如下：

(1)首先使用蓝宝石棒辅助拉伸法从掺杂的块状软玻璃中制备得到直径1μm~6μm的微光纤；

(2)利用显微操纵将一根微光纤弯曲成首尾搭接的环形腔，其搭接点的重叠长度为2~3μm，并将搭接点置于ZnSe棱镜的焦点处；

(3)通过调节单个脉冲激光的宽度来优化熔接工艺以获得最佳熔接条件；对于软玻璃材料微光纤的熔接而言，其典型的单脉冲宽度为5~10μs；

(4)将搭接点熔接成一个永久性的结点后，即形成一个微光纤闭合环形谐振腔；

(5)使用高温加热的方法将一根直径为125μm的氧化硅单模光纤拉制成双锥形微光纤，并将其锥腰与微光纤闭合环形谐振腔的侧壁相切搭靠，泵浦光从双锥形微光纤的一端输入，以倏逝波的形式从相切点耦合进该闭合环腔，激光信号则从相切点耦合出来并从另一端输出。

对于铒镱共掺的磷酸盐微光纤闭环激光器而言，用975nm波长的激光器去泵浦微光纤闭环腔，当泵浦光达到某个阈值时，从另一端输出的信号中我们测得该器件的激光输出。

应用举例：

使用蓝宝石棒辅助拉伸法从铒镱共掺杂（铒镱的掺杂浓度均为2 wt.%）的块状磷酸盐玻璃直接制备出直径5μm的微光纤，按照上述步骤制备形成直径为3.5mm的微光纤闭合环形腔，在975nm的泵浦下，获得了工作波长为1559.6nm的激光输出。图3为本发明激光器的应用举例，直径为3.5mm的铒镱共掺磷酸盐玻璃微光纤闭环激光器的工作波长为1559.6nm，激光线宽为0.05nm，阈值为2.4mW，其单纵模最大输出功率为2.3μW。该激光器输出特性（波长稳定性和输出功率稳定性）稳定，因此适用于制备液体环境中的有源传感器。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims

1.一种微光纤闭环激光器，其特征在于：掺杂微光纤闭合环形谐振腔与双锥形微光纤在锥腰处相切组合而成。

2.根据权利要求1所述的一种微光纤闭环激光器，其特征在于：所述的掺杂微光纤直径为1μm ~6μm，掺杂微光纤闭合环形谐振腔直径为0.5mm~5mm；所述的双锥形微光纤的锥腰处直径为0.8μm ~3μm。

3.根据权利要求1所述的一种微光纤闭环激光器的制备方法，其特征在于：CO₂脉冲激光器在任意波形发生器调制下输出单个脉冲，经ZnSe透镜会聚于一点；将一段掺杂微光纤弯曲至首尾搭接，并将搭接点置于透镜的焦点，通过单脉冲激光来熔接微光纤使之成为一个闭合环形谐振腔；一根双锥形微光纤与掺杂微光纤闭合环形谐振腔在锥腰处相切，以倏逝波的形式耦合光信号,其两端分别用作该微光纤闭环激光器的泵浦光输入端和激光输出端。

4.根据权利要求3所述的一种微光纤闭环激光器的制备方法，其特征在于：所述的单脉冲的宽度在1~190μs范围内可调，调控精度为1μs。

5.根据权利要求3所述的一种微光纤闭环激光器的制备方法，其特征在于：所述的熔接损耗为0.15dB～0.2dB。