CN103944057A - 基于新型空心微结构光纤的染料激光器 - Google Patents

Abstract

一种液芯填充的新型微结构光纤(SMOF)激光器具有强的辐射以及沿着光纤径向发射的激光。微流通道由SMOF的中心近似圆柱形的孔组成。空心的SMOF中心孔选择性填充一段罗丹明6G染料液体，532nm的纳秒脉冲激光器从填充光纤部分的横向泵浦。基于新型空心微结构光纤，结合了光纤侧面泵浦系统该装置，利用微结构光纤的选择性填充微通道，使用独立的微结构光纤即实现增益介质的激射，发射激光具有高稳定性以及可调谐性。这种基于微结构光纤的染料激光器结构坚固，小尺寸便于应用于集成设备。结合空心光纤孔中固定抗体免疫荧光方法可以应用于光流体微系统在生物医学检测和化学分析上。

Description

基于新型空心微结构光纤的染料激光器

所属技术领域

本发明涉及一种微结构光纤的染料激光器，基于新型空心微结构光纤，结合了光纤侧面泵浦系统该装置利用微结构光纤的选择性填充微通道，使用独立的微结构光纤即实现增益介质的激射，发射激光具有可调谐性，同时有高强度及径向辐射的特点。

背景技术

微腔激光器发光机制在于微腔内多次反射使得在光学腔中特定频率上形成驻波，由于微腔内光限制作用强，微腔中的光和物质相互作用增强，谐振腔模式变得更加尖锐。微腔染料激光器可以制作的很小，集成在芯片上做成小巧便携设备，同时由于不同有机染料的不同发射波长使得激光发射波长覆盖了很大范围，所以可以通过改变有机染料的种类和浓度来调谐激光发射波长。

目前，光流体微腔激光器以其可调的发射光谱，低阈值以及小型化封装特点对于集成设备的发展起到推动作用，引起人们广泛关注。2000年，Moon等人开发了基于回音壁模式的倏逝波耦合增益的圆柱形微腔激光器，把增益介质放在激光谐振腔外部，由于在外部增益分子和内部谐振模式之间存在倏逝波耦合，产生激射光；2003年，Bhelbo等开发了一种金属镜面的微腔流体染料激光器，激光染料溶液通过一种包含激光微腔的微流体通道被激发；2008年，Scha等人从孤立的包含CdSe/ZnS量子点的球型液体微腔中，得到单模式和多模式的激射；2010年，Suter等人使用软光刻技术制备了光流体环形激光器，侧耦合环利用倏逝波有效耦合光流体环形激光器的发射光进入微流体通道，得到激光。2013年，Kosma等人将10μm聚合物微球封装进入微结构光纤的毛细管中，直接接触光纤传导中心，这种结构可以有效和可再生的激发MOF中微球谐振。传统的结构优势在于尺寸小，但是由于谐振腔为沿着界面内表面的增益介质内部，泵浦光传播过程中产生吸收损耗比较大，而且增益介质的重吸收作用会引起激射波长的红移，带来激光器发射波长的不稳定，不利于实际中应用。近年来，基于亚波长直径微纳光纤的激光器包括自接触环路谐振腔，打结型谐振腔等显著应用于激光器。泵浦光被束缚在亚微米尺寸波导中并且产生低损耗的大的倏逝场。2006年，Jiang等人实现基于掺杂微尺度光纤紧凑型激光器，泵浦光通过倏逝波耦合方法进入微光纤打结点，单纵模抑制47dB；2007年，Xu等人通过微光纤环绕一个低折射率棒并且涂覆聚氟乙烯树脂获得谐振腔，利用表面分子引力结合在一起，得到低损耗激光器。这些谐振腔结构尺寸更加精细，产生低阈值激光，但是这种激光器主要缺陷在于结构的易碎性，并且它需要结合一个外加的微流体腔。Stolyarov等人在一个独立的微结构光纤中填充增益介质实现一个独特的径向场模式的激光。使用轴向泵浦方式需要精密的耦合方法，使得微通道一端被占用，不利于微流控制。

因此，发明一个谐振腔具有紧凑精细和坚固稳定的特点，并且方便微流体控制的光流体微腔染料激光器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：结合光流体微腔染料激光器以及纳米光纤环形谐振腔的优势，开发新的谐振腔结构，具有紧凑精细和坚固稳定的特点，实现方便微流体控制的染料激光器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：利用微结构光纤的选择性填充微通道，结合光纤侧面泵浦系统，引入一种方便制备的新型结构-新型空心微结构光纤。新型空心微结构光纤具有特殊的结构：包含中心一个大的六角形空气孔和六个环绕的花瓣形包层空气孔。微流通道由新型微结构光纤的中心孔组成，通过将罗丹明6G染料液体选择性填充进入新型微结构光纤的中心孔实现。由于新型微结构光纤特殊的几何机构，其中环绕中心的纳米厚度的二氧化硅环，可以看做大量序列连接的微光纤环，相当于一个纳米环形谐振腔，其特点在于它嵌在光纤二氧化硅包层内部，具有稳固的支撑架。与液芯填充的光纤作为微流体腔集成化一体，有强束缚光能力，和低损耗传输以及单模式光传导特性。泵浦光横向耦合情况下，与中心孔微通道中染料相互作用，发射出荧光耦合进入二氧化硅纳米微环。由于传导光在亚波长波导中具大的倏逝场，基于倏逝波耦合增益，束缚在微环中的光增强放大，满足条件的模式经过谐振受激辐射放大产生激射光。通过改进谐振腔结构，优化泵浦方式，初步设计实现低阈值，高效率，发射稳定的一种微腔染料激光器。

本发明的优点是：这种结构的谐振腔不仅继承了纳米光纤环形谐振腔的优势，并且构造坚固稳定，制作工艺成熟简易；新型微结构光纤达到更为精细结构，更小巧，发射激光具可调谐性；使用单独的光纤即实现增益介质的激射，在光流体光纤激光器阵列组成的微系统，结构坚固，小尺寸便于应用于集成设备；结合空心光纤孔中固定抗体免疫荧光方法可以实现光流体微系统在生物医学检测和化学分析上应用。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是新型空心微结构光纤截面结构图；

图2是本发明的基于新型空心微结构光纤染料激光器系统结构示意及作用原理图；

其中：1-532nm激光器；2-激光光束；3-聚焦系统；4-新型空心微结构光纤；5-光纤沿径向向外发射光环；6-染料溶液；7-激射光；8-光谱仪；

图3为实例1中基于微结构光纤激光器发射激光经过滤光片后呈现在光纤外侧的平面光屏上的图像(左边)以及呈现在环绕光纤侧面一圈的圆环形状光屏上的图像(右图)；

图4中左图为实例1中收集发射激光能量与响应泵浦光能量的关系图，插图为泵浦到达阈值附近位置时的发射光谱；右图为实例1中泵浦低于阈值时(实线)以及高于阈值时(虚线)的发射光谱；

图5为实例2中分别采用外径140μm光纤(实线)以及外径170μm光纤(虚线)实现的激光器的对比发射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

参见图1所示，新型空心微结构光纤横截面：包含中心一个大的六角形空气孔和六个环绕的花瓣形包层空气孔。孔之间的六个二氧化硅薄壁宽度15μm，厚度接近500nm，外包层直径170μm。这个环绕中心孔的纳米尺度厚度的包层壁是个特殊结构，作为纳米尺寸微环形耦合谐振腔，具有纳米波导传输特性，而中心孔选择性填充增益介质作为微流通道，组成微流体染料激光器系统。

参见图2所示，一种基于新型空心微结构光纤染料激光器系统。实验中使用的532nm锁模Nd：YAG纳秒脉冲激光器1泵浦，激光器脉冲持续时间5ns，重复频率10Hz。使用的激光染料为溶解于乙醇液体中的罗丹明6G染料液体6。发射激光光束2经过聚焦系统3聚焦到新型空心微结构光纤4，焦距150mm。中心孔选择性填充染料液体段的新型空心微结构光纤被固定在泵浦光聚焦平面，染料液体段处于聚焦中心，532nm的纳秒脉冲激光器1从填充光纤部分进行横向泵浦。光纤轴向与泵浦光入射方向有不为90°夹角，使得泵浦光散射方向与激光激射方向不在同一方向，便于光谱仪8接收信号。入射光与光纤夹角变化，一定范围内都能产生激射光7，出射激光方向为与入射光同一平面的，环绕光纤的一个环形5。中心染料发射荧光倏逝波耦合进入纳米微环中，满足条件的模式经过谐振受激辐射放大，产生激射。激射光沿着光纤径向经过滤光片到达光谱仪8(海洋光谱仪型号：HR4000)。在吸收泵浦能量达到阈值情况下，接收光谱中观察到振荡激光产生，在平面光屏观察到强烈的激射光7，表现出圆柱形对称的沿径向场分布特点，圆锥形光屏上观察到发射光环5。

应用例1探测基于新型空心微结构光纤染料激光器的辐射特点

参见图3所示，在泵浦能量达到180nJ/pulse，光谱570nm附近观察到单模式的激光谐振峰。经过滤光片后呈现在光纤外侧的平面光屏上如左图所示。发射激光表现出圆柱形对称的沿径向场分布特点，在外部圆锥形光屏上观察到发射光环出射光谱，中间明亮位置为光纤所在位置，如右图所示。

参见图4所示，激射光能量与泵浦光能量的关系图如左图所示，拐点处泵浦能量对应阈值能量，可以看出超过阈值能量之后，激射光能量迅速增加，上升斜率增加到140倍。插图为泵浦到达阈值附近位置时的发射光谱，可以看出发射光峰在波长570nm附近被压窄，形成激射光。泵浦低于阈值时(实线)以及高于阈值时(虚线)的发射光谱如右图所示。

结果：我们设计的结合微结构光纤的染料激光器，侧面泵浦方式，谐振腔结构坚固稳定，精细小巧，达到低的阈值，出现强的辐射。

应用例2使用不同尺寸的新型微结构光纤验证这种染料激光器的特点

环形谐振腔中满足条件：D＝λ₀ ²/(nπΔλ)      (1)，这里D和n分别为纳米微环的直径和折射率(n＝1.46)，λ₀为中心发射波长，Δλ为发射谐振峰波长间隔。这里我们使用不同尺寸的两种新型微结构光纤作对比实验，第一种光纤外径170μm，中心孔外二氧化硅环周长90μm；第二个光纤外径140μm，中心孔外二氧化硅环周长70μm。

参见图5所示，分别为采用外径140μm光纤(实线)以及外径170μm光纤(虚线)实现的激光器的对比发射光谱图。第一种光纤谐振峰波长间隔为2.5nm，中心波长571.8nm。第二种光纤谐振峰间隔为3.11nm，中心波长562.5nm。代入式子(1)得到的两种光纤二氧化硅环周长分别为89.6μm以及69.7μm。这个结果与实际结构的尺寸90μm和70μm非常吻合。进一步验证了微结构光纤中嵌入纳米环谐振腔的理论以及产生环形辐射的现象。

结果：验证了这种新型微结构光纤染料激光器发射波长的可调谐行。以后能应用在集成光纤激光器阵列微系统以及高灵敏的生物医学检测。

Claims (5)

1.一种基于新型微结构光纤的光流体微腔染料激光器装置，该装置由泵浦源，聚焦系统，增益介质，谐振腔组成。泵浦源采用532nm锁模Nd：YAG纳秒脉冲激光器1，增益介质采用溶解于乙醇液体中的罗丹明6G染料液体6，谐振腔由新型微结构光纤中的微流通道以及微环结构组成，其特征在于，所述泵浦源发射激光2经过聚焦系统3聚焦到新型空心微结构光纤4，采用光纤侧面泵浦方式，经过光和物质相互作用增强产生激射光7。

2.根据权利要求1所述的基于新型微结构光纤的光流体微腔染料激光器装置，其特征在于，所述的新型空心微结构光纤4具有特殊的结构：包含中心一个大的六角形空气孔和六个环绕的花瓣形包层空气孔；所述的谐振腔微流通道由新型微结构光纤的中心孔组成，通过将罗丹明6G染料液体6选择性填充进入新型微结构光纤的中心孔实现：所述的谐振腔微环结构为环绕中心的纳米厚度的二氧化硅环，相当于一个纳米环形谐振腔，其特点在于它嵌在光纤二氧化硅包层内部，具有稳固的支撑架，与液芯填充的光纤作为微流体腔集成化一体，有强束缚光能力，和低损耗传输以及单模式光传导特性。

3.根据权利要求1所述的基于新型微结构光纤的光流体微腔染料激光器装置，其特征在于，所述的光纤侧面泵浦方式为在泵浦光横向耦合情况下，填充的染料液体6段处于聚焦中心，光纤轴向与泵浦光入射方向非垂直，使得泵浦光散射方向与激光激射方向不在同一方向，便于光谱仪8接收产生的激射光7信号。

4.根据权利要求1所述的基于新型微结构光纤的光流体微腔染料激光器装置，其特征在于，所述的光和物质相互作用增强为泵浦光与中心孔微通道中染料6相互作用，发射出荧光耦合进入二氧化硅纳米微环，传导光在亚波长波导中具大的倏逝场，基于倏逝波耦合增益，束缚在微环中的光增强放大，满足条件的模式经过谐振受激辐射放大产生激射光7。

5.根据权利要求1所述的基于新型微结构光纤的光流体微腔染料激光器装置，其特征在于，所述的产生的激射光7有方向性，表现出圆柱形对称的沿径向场分布特点，圆锥形光屏上观察到发射光环5。