CN104779513A - 基于微结构光纤的可调谐微腔激光器 - Google Patents

Abstract

利用拉锥的简化液芯微结构光纤实现可调谐光流体微腔激光器。经过拉锥的简化空芯微结构光纤的谐振腔结构具有紧凑精细和尺寸变化的特点。在使用轴向泵浦和侧向泵浦两种方式中，分别改变拉锥简化空心光纤中填充的染料液体的泵浦位置，得到的激射光具有强的径向辐射和低的激光阈值的特点，激射光谱随着泵浦在拉锥区域的位置变化而改变，验证了这种激光器可调谐特性。在拉锥的简化空芯微结构光纤中得到可调谐激光器对液面传感器和生物分析方面的发展提供很好的便利条件。

Description

基于微结构光纤的可调谐微腔激光器

所属技术领域

本发明涉及一种可调谐的微腔激光器，基于拉锥的简化液芯微结构光纤，通过改变拉锥简化空心光纤中填充的染料液体的激发位置，可以得到可调谐的激光辐射，辐射光具有强的径向辐射和低的激光阈值的特点。

背景技术

由于基于光流体的微腔激光器具有低能量消耗，小的封装体积，样品需求量小，可调谐的激光发射波长以及一些独特的光学品质，它在集成光学设备，光操控以及生物医学分析方面具有实际的应用价值。填充染料液体进入微流通道，形成了一个光学微腔，提供激射光的光学反馈。内部包含流体的微型谐振腔具有高的品质因子和低的能量消耗，而在现有的微腔染料激光器中，微腔品质因子和微流控制是研究者主要的关注点。根据结构特点，谐振腔分为薄层板，液滴，实芯微球，圆柱形微腔以及工程中改造使用的微环，微盘和微线圈谐振腔。然而，当泵浦能量增加时，腔外包围流体的微腔折射率分布变得不均匀，从而产生激光的效率较小，发射波长波动大。进一步，一般光流体激光器尺寸相对大，使得传导时存在更多的模式，引起激烈的模式竞争，因此，选用更小尺寸和内部包含流体的光流体微腔会更加适用于开发高效的激光器。

近年来，基于亚波长微光纤谐振腔结构在微型光子设备中有大的潜能。光被限制在亚微米直径的波导中，具有很大的倏逝场甚至在波导弯曲率大情况下也可以低损耗的传导。因此，由微光纤形成的谐振腔能产生低阈值稳定的激光，但同时也出现一些缺陷，主要由于他们易碎且需要额外的微流体通道。近期，Stolyarov等人报道了一个圆柱形布拉格光纤的谐振腔支持纯净的径向射线模式，并且利用光纤内壁的法布里-铂罗(Fabry-Perot)谐振腔原理产生激光。利用空心微结构光纤的激光器优势在于他们的小的连接损耗，紧凑型以及增强的多功能性。由于常规微流体环形谐振腔的整体设计性使激光调节范围受限制，因此，调节谐振腔到任意频率谐振对激光应用非常有需要。尽管通过替换不同尺寸的空心微结构光纤，可调谐激射光在一些报道中已经实现，但是需要复杂的操作和多余的支出费用用于多个谐振腔系统。

因此，发明一个谐振腔具有紧凑精细，独立变化尺寸的特点，并且方便微流体控制的可调谐光流体微腔激光器具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是：结合光流体微腔以及环形谐振腔的优势，开发新的拉锥空心微结构光纤中谐振腔结构，具有紧凑精细和变化尺寸的特点，实现可调谐的光流体微腔激光器。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：首先，我们利用基于氢氧焰的熔融拉锥技术制备拉制简化空芯微结构光纤，微环谐振腔的尺寸沿着光纤长度缩小几微米，使得谐振腔长度连续变化，获得不同的尺寸的微环谐振腔。然后通过封堵空心微结构光纤端面处的包层孔得到液芯微结构光纤，并且使用光纤中心孔填充的激光染料作为微流体增益介质。光纤中的微环谐振腔中限制的光表现出强烈的谐振，在微环内部的微流体与空气交界面处我们得到强径向辐射和低阈值激射光。此外，在轴向泵浦微腔染料激光器方法中，我们通过改变沿着拉锥光纤的增益介质的液面位置，得到可调谐的激光，并且，在侧向泵浦微腔染料激光器方法中，我们通过纵向改变微结构光纤拉锥区域的泵浦位置，能够调节微环染料激光器的发射光谱，也得到可调谐的激光。

所述的拉锥方法具备特定的拉锥条件，低的火焰加热温度，冷制备的条件减小了气孔的坍塌速度，同时拉制速度足够快的条件减小了拉制过程的时间，保持光纤内部孔的微结构不变形。这种方法能够保证光纤微结构的完整性，获得直径均匀变化的微环，而不破坏微环的结构。

所述的光纤中微环结构谐振腔谐振原理是由于二氧化硅壁纳米尺寸厚度，周围有大的倏逝场，限制在二氧化硅微环中的荧光倏逝场与靠近腔的增益介质相互作用，产生受激辐射。当泵浦光超过受激辐射的阈值时，产生激光的辐射。

所述的改变沿着拉锥光纤的增益介质的液面位置的方法是光纤填充端连接一个注射器，使用注射器塞子来控制中心孔气压，因此我们可以控制光纤中心液柱的长度和位置。

所述的拉锥微结构光纤的谐振腔可调谐特性机理在于：微结构光纤在经过拉锥后，中心微环的尺寸同样成比例的变化。我们通过小心的控制增益介质液柱来改变激射光的位置，这样可以得到不同尺寸的腔长，因此，微环谐振腔的腔长具有可调性。

对于环形腔内的全内反射，驻波可以有波长形式表示，定义为：

Nλ_N＝n_effL_c  (1)

其中N是一个整数，λ_N是激射光波长，对应于第N个纵模，L_c是环形腔的长度，n_eff是微环的有效折射率。根据方程(1)，N阶纵模的谐振波长与腔长(L_c)相关。因此，一个基于简化液芯微结构光纤激光器的可调谐特性可以通过改变光纤拉锥区域的增益介质表面位置而实现。

本发明的优点是：这种具有紧凑精细和变化尺寸结构的谐振腔

使用轴向泵浦方法，泵浦光能够直接与增益介质相互作用，并且沿着光纤轴向泵浦光与光纤径向的激射光相互垂直，因此，我们同时得到强的光和物质相互作用和泵浦光和激射光的自动分离。环绕微流体的二氧化硅微环尺寸沿着光纤长度连续缩小几个微米，得到一个变化的谐振腔长，尺度小的谐振腔具有限制模式少和频率间隔大的优势。

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是简化液芯微结构光纤横截面图；

其中：1-外包层结构；2-中心空气孔填充增益介质；3-薄壁微环结构；4-包层空气孔；

图2是简化空芯微结构光纤未拉锥区和拉锥区的纵截面图；

图3为本发明的基于微结构光纤的可调谐微腔激光器系统结构示意及作用原理图；

其中：5-532nm纳秒激光器；6-入射光束；7-耦合装置；8-简化液芯微结构光纤；9-激射光环；10-光谱仪；11-位置坐标；12-染料溶液；13-注射器；14-反射镜；15-汇聚装置；16-平移台；

图4是实例1中微结构光纤激光器发射激光呈现在环绕光纤侧面圆锥光屏上的图像(右图)；

图5为实例1出射光归一化能量随着泵浦能量的增加的变化(圆圈)以及拟合线(实线)，插图为低于阈值能量的出射光谱图(黑色)和超过阈值能量的出射光谱图(灰色)；

图6是实例1中测量N＝138和N＝139阶纵模对应的谐振波长与液面相对位置的关系；

图7为实例2中测量的谐振波长随着拉锥光纤不同泵浦位置变化。

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，简化空芯微结构光纤横截面：由外包层1，中心空气孔填充增益介质2，薄壁微环结构3和六个环绕的花瓣形包层空气孔4组成。外包层1和中心薄壁微环3为二氧化硅材料，折射率1.46。外包层直径170μn，组成微环3的六边形边长15μm，厚度接近0.37μm。环绕中心孔的纳米厚度的包层微环3具有纳米波导的传输特性，即具有大的倏逝场交叠面积和强限制光的特点，而中心孔选择性填充增益介质2作为微流通道，2与3组成微型谐振腔，实现微腔染料激光器系统。

参见图2所示，通过使用快速低温拉锥方法，我们得到一个17mm长的双曲线形的拉锥区域，光纤外包层的直径变化范围从113μm到170μm，它们的截面放大图分别如图2右图和图2左图所示。由于光纤的拉锥角比较小(0.005rad)，拉锥段的传输损耗可以忽略。

参见图3所示，一种基于微结构光纤的可调谐微腔激光器系统。实验中使用的532nm调Q纳秒脉冲激光器5作为泵浦元，激光器脉冲持续时间1.6ns，重复频率2KHz，最大激光能量26.6μJ。简化空芯微结构光纤8经过选择性填充处理。光纤填充端连接一个注射器13，使用注射器塞子来控制中心孔气压，因此我们可以控制光纤中心液柱的长度和位置。我们设置光纤拉锥中心为位置坐标11的零点，则定义增益介质表面相对于中心的距离为它的相对位置。在光纤径向产生的辐射为激射光环9，激射光信号被送入放置在光纤侧面的光谱仪10中。

由方程(1)我们可以推导出以下方程：

$L_c={\mathrm{\λ}}_N^2/(n_{\mathrm{eff}}\·\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_N)---\left(2\right)$

其中，Δλ_N是对应微环谐振腔N阶纵模的自由光谱范围，λ_N是对应N阶纵模激射光波长。实验中测量的自由光谱范围Δλ_N在不同位置随着腔长(L_c)变化而改变。

应用例1轴向泵浦简化液芯微结构光纤微腔激光器的可调谐特性

参见图3所示，使用40倍物镜耦合系统7将入射光束6耦合进入光纤。我们使用的激光染料12为(若丹明B和若丹明6G)溶解在混合的乙醇和水1∶1混合的溶液(n＝1.35)中配成浓度为1mM的溶液。当泵浦光耦合到中心模式，光场与增益介质有非常大的交叠面积。这种强的光与物质相互作用导致在增益介质表面产生强的发射，交界面附近大量荧光分子被激发并且从空芯光纤模式耦合到液芯光纤模式。由于染料液体塞子的弯曲表面，大部分激发的荧光被散射和泄露，造成大量发射光耦合到液芯微结构光纤的高阶模式中。由于光纤液芯与包层有相对大的折射率差，在液芯微结构光纤中有更多高阶中心模式，这些高阶模式的电场主要分布在中心孔的边缘处，这样使得发射光更容易耦合到环绕中心的二氧化硅微环中。大部分能量在二氧化硅微环形成一个近环形分布，并且表现出一个强的谐振。通过使用轴向泵浦方法，泵浦光能够直接与增益介质相互作用，并且沿着光纤轴向泵浦光与光纤径向的激射光相互垂直，我们同时得到强的光和物质相互作用，同时泵浦光和激射光能够自动分离。激射光集中在染料液体和空气的交界面。

参照图4所示，超过阈值时在光纤径向产生一个独特的辐射场模式在泵浦功率。显示了滤光片后环绕微结构光纤的圆锥光屏上呈现了的激射光环，使用增益介质若丹明B(585nm附近)。考虑拍摄角度和光纤夹持器的阴影的影响，实际情况中我们得到一个完整的激光环。

参照图5所示，我们从归一化的出射激射光能量随着泵浦光能量的变化得到激光阈值为35nJ。这个结果使用浓度1mM的若丹明B溶液作为的增益介质。高于阈值时出射能量随泵浦光能量的变化曲线斜度比低于阈值的高50倍。插图显示了激射光谱在泵浦能量低于阈值(黑线)和高于阈值(红线)时的激射光谱。泵浦能量超过阈值时，观察到在583nm波长附近有激光谐振。测量的激光模式的半高宽为1nm(0.3GHz)。

参照图6所示，在环形振荡实验中，我们使用了若丹明6G溶液。根据方程(1)，N阶纵模的谐振波长与腔长(L_c)相关。我们可以测量到N＝138阶纵模的谐振波长(点状)和N＝139阶纵模的谐振波长(星形)，对于沿着光纤拉锥区域位置不同而改变的腔长得到谐振波长的变化。激射光波长改变范围从564.84nm到573.32nm。因此，一个基于简化空芯微结构光纤的可调谐微腔激光器可以通过改变光纤拉锥区域增益介质的液面位置而得到。

结果：验证了我们设计的拉锥的简化液芯微结构光纤微腔激光器，轴向泵浦方式，谐振腔结构尺寸变化，精细小巧，达到低的阈值，出现激射光环，基于微结构光纤的微腔激光器具有可调谐性，

应用例2侧向泵浦简化液芯微结构光纤微腔激光器的可调谐特性

参见图3所示，发射激光光束6经过反射镜14后，发射光经过聚焦系统15聚焦到简化空芯微结构光纤8的拉锥区域，焦距125mm。我们使用的激光染料12为(若丹明6G)溶解在混合的乙醇和水1∶1混合的溶液(n＝1.35)中配成浓度为1mM的溶液。简化空芯微结构光纤8拉锥区域中心孔选择性填充染料，将光纤拉锥区域放置在一维平移台16上，平移台移动平面为透镜的焦平面，染料液体段处于聚焦中心，光纤轴向与泵浦光入射方向夹角变化，在光纤侧面产生激射光环17。这样光纤拉锥区域每个位置都能够经过透镜焦点被侧向泵浦。光谱仪10被放置在光纤侧面，沿着光纤径向接收径向辐射的激射光谱。

参照图7所示，测量的泵浦光纤拉锥区域不同位置得到的光谱，从中提取处不同位置对应的谐振波长。测量到的谐振波长随着拉锥光纤中不同泵浦位置变化。拉锥中心位置定义为0，则距离拉锥中心的距离从0-5mm变化，谐振波长变化范围从562nm到566nm。这样我们通过纵向改变填充染料的微结构光纤拉锥区域的泵浦位置，能够调节微环染料激光器的发射光谱，得到可调谐的激光。

结果：验证了通过纵向改变填充染料的微结构光纤拉锥区域的泵浦位置，能够调节微环染料激光器的发射光谱，也得到可调谐的激光。在拉锥的简化空芯微结构光纤中得到可调谐激光器对液面传感器和生物分析方面的发展提供很好的便利条件。

Claims (5)

1.一种基于拉锥空芯微结构光纤的可调谐微腔染料激光器装置，该装置由泵浦源，耦合系统，增益介质，谐振腔组成。泵浦源采用532nm纳秒脉冲激光器5，增益介质采用染料液体10，谐振腔由简化空芯微结构光纤中的微流通道以及微环结构组成，利用拉锥技术拉制光纤，获得不同的尺寸的微环谐振腔。通过封堵空心微结构光纤端面处的包层孔得到液芯微结构光纤，并且使用光纤中心孔填充的激光染料作为微流体增益介质，所述泵浦源发射激光6经过耦合系统进入简化空心微结构光纤8，经过光和物质相互作用增强产生激射光，在轴向泵浦微腔染料激光器方法中，通过改变沿着拉锥光纤的增益介质的液面位置11，可以得到可调谐的激光，并且，在侧向泵浦微腔染料激光器方法中，我们通过纵向改变微结构光纤拉锥区域的泵浦位置，能够调节微环染料激光器的发射光谱，也得到可调谐的激光。

2.根据权利要求1所述的拉锥方法具备特定的拉锥条件，低的火焰加热温度，冷制备的条件减小了气孔的坍塌速度，同时拉制速度足够快的条件减小了拉制过程的时间，保持光纤内部孔的微结构不变形，这种方法能够保证光纤微结构的完整性，获得直径均匀变化的微环，而不破坏微环的结构。

3.根据权利要求1所述的光纤中微环结构谐振腔谐振原理是由于二氧化硅壁纳米尺寸厚度，周围有大的倏逝场，限制在二氧化硅微环中的荧光倏逝场与靠近腔的增益介质12相互作用，产生受激辐射，当泵浦光超过受激辐射的阈值时，产生激光的辐射。

4.根据权利要求1所述的改变沿着拉锥光纤的增益介质8的液面位置的方法是光纤填充端连接一个注射器13，使用注射器13塞子来控制中心孔气压，因此我们可以控制光纤中心液柱的长度和位置。

5.根据权利要求1所述的拉锥微结构光纤的谐振腔可调谐特性机理在于：微结构光纤在经过拉锥后，中心微环的尺寸同样成比例的变化，我们通过小心的控制增益介质液柱来改变激射光的位置，这样可以得到不同尺寸的腔长，微环谐振腔的腔长具有可调性。