CN102255231A - 用于横向光耦合的吸收边界型激光器 - Google Patents

Abstract

吸收边界型激光器是利用吸收导致的折射率对比所产生的边界来提供反馈，无需额外提供腔镜，即可实现纵向泵浦材料的横向片状激光输出。改变泵浦光束的形状即可改变吸收边界的大小和形状，获得各种类型的横向激光输出。本发明包括：泵浦激光器，与泵浦激光波长对应的吸收增益材料。增益材料要求能强烈吸收泵浦激光并激发新的波长的激光，根据具体情况，如果是液体形态，可以封装于透明容器中，如果是固体材料，可以直接通过镀膜、化学气相沉积、分子束外延等方式直接生长在玻璃、石英或者硅片等通用基底上或者波导边界处。本发明进一步的应用还包括特殊制作的光波导、用于光纤耦合的耦合透镜。

Description

用于横向光耦合的吸收边界型激光器

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种新型的利用吸收边界反馈产生激光的激光器以及利用此激光器进行横向光耦合的方法。

背景技术

一般来讲，激光器包含三个部分：工作物质，激励装置，谐振腔。这样产生的激光发散角非常小。随着技术的发展，人们又研发出染料激光器，但是仍然包含上述三个组成部分，只不过用染料作为增益介质，用另外一台激光器作为激励装置，产生的仍然是发散角很小的传统的激光。我们提出并实现了一种无外加谐振腔的激光器，利用增益材料自身的吸收导致的边界来产生反馈，从而实现激光输出。改变泵浦激光横截面的光斑形状，那么激光器输出激光的方向性也会相应地改变：典型的情况下，如果使用强度均匀的圆形光斑泵浦，该无谐振腔激光器(即吸收边界型激光器)将会在接近平行于增益材料表面的平面内，输出一个准二维圆形片状激光；如果泵浦激光是圆偏振的，那么这个准二维圆形片状激光在上述平面内360°方向上强度都是均匀的。这种激光器对如今的集成光路信号耦合、多信号复用等有很大的应用价值。

发明内容

吸收边界型激光器是一种新概念的激光器，无需外加谐振腔。吸收边界型激光器的基本原理是：将一束强激光(比如Nd:YAG倍频输出的532nm激光)经过整形后直接打入一个共振吸收增益材料(比如若丹明系列材料)中，增益材料强烈吸收泵浦激光后会在横向(平行于吸收材料表面方向)产生激光输出，这种激光没有谐振腔反馈，反馈机制来源于横向吸收边界处极强的折射率对比，解释如下。根据普通光学的经典色散理论，共振吸收介质在共振能级对应的强泵浦激光泵浦下，吸收非常强，同时会伴随很大的正色散。根据群速折射率和相速折射率的关系：

这个正色散使得群速折射率比相速折射率大很多，从而在吸收区域与非吸收区域之间产生一个边界，这个边界两边的群速折射率对比有可能远高于普通介质边界(比如玻璃、石英相对空气的边界)处的折射率的对比。这个边界足以在增益介质的泵浦吸收区域提供足够的反馈。

本发明就是利用吸收边界的反馈原理，无需额外提供腔镜，即可实现纵向泵浦材料的横向激光输出。改变泵浦光束的形状即可改变吸收边界的大小和形状，获得各种类型的横向激光输出。这种横向激光输出可以通过传统的耦合透镜等耦合到波导、光纤中去，耦合即可以是单通道耦合，也可以是多通道耦合，后者可以认为是一种等效的波分复用方法。

本发明包括：泵浦激光器，与泵浦激光波长对应的吸收增益材料(典型情况为激光染料)。增益材料要求能强烈吸收泵浦激光并激发新的波长的激光，根据具体情况，如果是液体形态，可以封装于透明容器中，如果是固体材料，可以直接通过镀膜、化学气相沉积、分子束外延等方式直接生长在玻璃、石英或者硅片等通用基底上或者波导边界处。关于本发明进一步的应用所包含的部分还包括特殊制作的光波导、用于光纤耦合的耦合透镜，详见具体实施方法。

附图说明

图1(a)是吸收边界型激光器的工作原理图。

图1(b)是根据图1(a)的原理所制作的一个真实的吸收边界型激光器的工作照片。

图2(a)是利用此种吸收边界型激光器向单一光纤耦合的示意图。

图2(b)为将激光耦合到单一方向的横向光波导的示意图。

图3(a)是利用此种吸收边界型激光器进行多根光纤耦合(即等效波分复用)的示意图

图3(b)为将激光耦合到二维波导中的示意图。

具体实施方式

这里结合附图，以Nd:YAG激光器倍频输出的532nm激发常用激光染料若丹明6G(Rhodamine 6G，又称玫瑰红6G)为例来说明本发明的实施方法。

图1(a)是吸收边界型激光器的工作原理图。泵浦激光从接近垂直的角度正入射到吸收材料(同时也是产生新的波长的增益材料)中。当泵浦激光的波长、功率与增益材料的浓度、厚度互相匹配时将会在接近平行于增益材料的方向上产生新的输出激光。

图1(b)是根据此原理制作的一个真实的吸收边界型激光器的侧面照片。泵浦激光为纳秒脉冲Nd:YAG激光器倍频输出的532nm绿光(脉冲宽度8ns)，脉冲能量从10mJ到300mJ范围内都能得到很好的输出。染料选用激光染料若丹明6G，溶解在甲醇溶液中。溶液厚度大于0.1mm，浓度大于1.3×10^-3mol/L。输出激光的中心波长在580nm。从图中可以看出，由于染料对于532nm的激光强烈的吸收，泵浦激光只能穿入染料很薄的一层，而这一薄层就成为横向输出激光很好的放大区。改变泵浦激光的横截面的形状可以获得具有各种输出方向特性的输出激光。图1(b)所示案例中实际使用的是一个2mm*6mm的长方形横截面的泵浦激光，在长方形的长边方向上获得了很好的激光输出。

图2(a)是利用此种吸收边界型激光器进行1根光纤耦合的示意图。将光纤耦合器直接贴近染料池壁靠近液面的位置处固定，用长方形光斑的输入激光来泵浦，在长边的方向上即可以很容易将输出的光信号耦合到光纤中。为了更好地利用能量，可以在无输出的另外一个长边方向增加一个反射镜，从而提高耦合效率。

图2(b)为将激光耦合到单一方向的横向光波导的示意图。在波导基片上挖出一个不小于0.1mm深的坑，坑的形状由所需的发射激光的方向性决定，在一维波导耦合时一般用长方形，在二维波导耦合时用圆形。坑的横向尺寸略大于泵浦激光，在坑内填上增益材料。用长方形的激光垂直入射到增益材料中，那么增益材料产生的横向激光将自动通过边界耦合入波导中。

如果使用强度分布均匀的圆形横截面的泵浦激光，这种装置将会在整个平行于溶液表面的平面内各个方向上获得激光输出。如果泵浦激光是圆偏振的，那么各个方向的输出激光的强度也是均匀的，换句话说，这套装置在这种情况下，就得到了平面内360°各向同性的圆片状激光输出。图3(a)、(b)分别为用圆形光斑泵浦，将激光横向耦合到多根光纤和一个二维平面光波导中的示意图。这种方法同时也可以认为是一种等效的波分复用。

该实施方法说明了本发明所述装置的优点是：无腔镜，结构简单，使用方便，能产生二维圆片状输出激光。这种激光器对如今的集成光路信号耦合、多信号复用等有很大的应用价值。同时，对于不同种类的泵浦激光，只要能找到合适的吸收增益材料，本发明所述产生平面内二维圆片状激光，以及据此进行横向光耦合的方法都是有效的。

Claims (4)

1.用于横向光耦合的吸收边界型激光器包括：泵浦激光器，与泵浦激光波长对应的共振吸收增益材料，光纤或者光波导，用于光波导、光纤耦合的耦合透镜，所选用增益材料要求能强烈吸收所述的泵浦激光器所发射的激光并激发新的波长的激光，如果增益材料是液体形态，可以封装于透明容器中，如果是固体材料，可以直接通过镀膜、化学气相沉积、分子束外延等方式直接生长在玻璃、石英或者硅片等通用基底上或者波导边界处。

2.根据权利要求1所述的用于横向光耦合的吸收边界型激光器，泵浦激光是波长为532nm的脉冲激光器，单脉冲能量大于10mJ，可以通过外加透镜、柱透镜来改变泵浦激光的横截面形状，从而改变吸收边界型激光器的输出方向特性。

3.根据权利要求1所述的用于横向光耦合的吸收边界型激光器，增益介质为若丹明6G溶液、若丹明B溶液或者若丹明640溶液，浓度为1.3×10^-3mol/L～2.08×10^-2mol/L，增益材料的厚度大于0.1mm。

4.根据权利要求1所述的用于横向光耦合的吸收边界型激光器，在将输出信号耦合到波导中时所用的波导，表面掏出一个坑，坑的横向尺寸大于泵浦激光的横截面积，深度大于0.1mm。

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