CN104852259A - 液滴回音壁模式激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种液滴回音壁模式激光器及其制作方法。中间加工有锥区的第一单模光纤分别与泵浦光源和光谱仪连接，第二单模光纤分别连接捕获光源和环形芯光纤，环形芯光纤的前端加工成圆锥台形光纤尖，捕获光源出射的激光束经第二单模光纤注入到环形芯光纤的纤芯中，光在环形芯光纤圆锥台形光纤尖斜面处发生全反射和折射，在圆锥台形光纤尖附近形成环形汇聚光场实现光镊功能，光镊稳定捕获微液滴，将捕获的液晶微液滴靠近第一单模光纤的锥区，泵浦光源从第一单模光纤的前端注入，光谱仪在第一单模光纤的后端检测激发的激光。本发明由表面张力形成完美表面的高Q值液滴微球腔，光镊稳定控制液滴微球，该液滴回音壁模式激光器具有极低的阈值。

Description

液滴回音壁模式激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及的是一种激光器，属于一种微光学器件。具体地说是一种环形芯光纤光镊捕获液体微滴的回音壁模式激光器。本发明也涉及的是一种激光器的制备方法。

背景技术

激光光源在现代光通讯领域中作用举足轻重，为了提高热稳定性，节省能源，需求制作出在红外通信波段的低阈值激光器。微球腔能把光场束缚在微米或者亚微米量级的极小区域中，选择一个或者某几个特殊的光学模式，从而增加腔体谐振模式的态密度。同时微腔本身具有极高的Q值和很小的模式体积，用作激光谐振腔，可以有效降低激光器的阈值，产生的光场强度高，寿命长，可以广泛应用于低阈值激光器领域。回音壁模式微腔由高折射率的腔体和低折射率的包覆层组成，光场在腔体界面经过多次全反射，实现位相相干增强而产生稳定的行波模式，具有封闭光效率高、成本低、工艺简单、不受材料限制、易于集成等优点。

1977年，Ashkin(Phys Rev Lett,1977,38(23):1351–1354)等人在操控微小球形水滴的光镊实验中首次观测到回音壁模式造成的辐射压力增强效应。Chang(Phys Rev Lett,1980,44:475–478)研究小组于1980年在掺杂染料的聚合物微球的荧光光谱中观测到高Q回音壁模式对应的谐振峰。钱士雄(Science,1986,231:486–488)在球形液滴中实现了低阈值激光器。但是，这些方案不能稳定的控制液滴，无法稳定输出激光，限制了光学回音壁模式激光器的进一步发展。

1989年，Braginsky(Phys Lett A,1989,137:393–397)等人通过烧融玻璃光纤,制备出固态玻璃微球腔，并证明直径150μm的球腔中Q值高达108。1990年，王育竹(中国激光,1990,19(12):716)等人首次在Nd玻璃微球腔中观测到腔内原子自发辐射概率增强约1000倍，并实现881nm的激光。姜校顺等公布了一种芯片集成的氧化硅微球激光器(公开号：CN103001117A)，利用二氧化碳激光器对制备的氧化硅微盘进行加热回流得到氧化硅微球，将微光纤置于氧化硅微球的一侧。但是，这些方案中的固态微球表面无法像依靠表面张力的液滴微球一样完美，固态微腔表面在实际工艺中也不可能处理得绝对平滑，上面有很多微小的起伏，使得光场在表面上产生散射，造成损耗。此外，固态微球存在制作工艺复杂，成本高，直径小的高Q值固态微球更是难以制作等问题。

另一方面，微纳加工技术和半导体工艺的发展促进了光学微腔的发展。1992年，McCall(Appl Phys Lett,1992,60:289–291)等人在半导体芯片上制备出微盘腔，进一步减小了微腔的尺寸，实现了连续光泵浦和电注入的低阈值激光器。Moon(Phys Rev Lett,2000,85:3161–3164)等用石英光纤构成圆柱形微腔，将光纤插入含有激光染料溶液的石英套管中，实现了Q值达3×10⁷的激光输出。但是，使用微盘、微柱微腔的回音壁模式激光器与球形微腔相比，球形微腔的优越性在于无论光从球的哪一点入射，只要角度合适都可以实现沿球的赤道的全反射传播，而微盘、微柱则对入射光的方向有较高的要求。此外，小尺寸的微盘、微柱微腔仍然存在表面无法像液滴表面一样完美的问题。

综上所述，回音壁模式微腔激光器具有高Q值、低阈值、易于集成等优点，在微光学器件领域有巨大应用潜力。目前液滴微球腔激光器方案不能稳定的控制液滴，无法稳定输出激光，而固态微球腔又存在表面微小的起伏造成损耗、制作工艺复杂、直径小的高Q值固态微球难以制作等问题。固态微盘、微柱腔虽然出现了更小尺寸，但存在对入射光的方向有较高的要求，表面不完美等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够稳定输出激光、具有极低的阈值的液滴回音壁模式激光器。本发明的目的还在于提供一种液滴回音壁模式激光器的制备方法。

本发明的液滴回音壁模式激光器的组成为：中间加工有锥区的第一单模光纤的前端与泵浦光源连接、后端与光谱仪连接，第二单模光纤的后端连接捕获光源、前端通过光纤耦合区耦合连接环形芯光纤的后端，环形芯光纤的前端加工成圆锥台形光纤尖，捕获光源出射的激光束经第二单模光纤通过光纤耦合区注入到环形芯光纤的纤芯中，光在环形芯光纤圆锥台形光纤尖斜面处发生全反射和折射，在圆锥台形光纤尖附近形成环形汇聚光场实现光镊功能，所述光镊稳定捕获掺杂有激光染料的液晶微液滴，将捕获的液晶微液滴靠近第一单模光纤的锥区，泵浦光源从第一单模光纤的前端注入，光谱仪在第一单模光纤的后端检测激发的激光。

本发明的液滴回音壁模式激光器还可以包括

1、所述的捕获光源的波长是633nm、532nm、750nm或980nm。

2、所述的环形芯光纤的环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中。

3、所述的掺杂有激光染料的液晶微液滴的直径为10μm-50μm，掺杂的激光染料是DCM或LDS。

4、所述的第一单模光纤的锥区直径为1μm-2μm。

本发明的液滴回音壁模式激光器的制备方法为：

利用光纤熔接机将单模光纤的前端和环形芯光纤的后端中心对准并焊接，在焊点处进行热熔融拉锥至环形芯光纤中可以稳定传输捕获光，通过光纤端面研磨法将环形芯光纤的前端面加工成圆锥台形光纤尖，形成环形芯光纤光镊，在显微镜下捕获水中掺杂有激光染料的液晶微液滴，并靠近通过热拉锥获得的锥形锥区的第一单模光纤的锥区，即形成液滴回音壁模式激光器。

本发明的液滴回音壁模式激光器的制备方法还可以包括：

1、所述掺杂有激光染料的液晶是按质量比1:100的比例将激光染料与液晶混合后超声振荡30分钟所得到的。

2、所述液晶微液滴是用移液器将掺杂有激光染料的液晶液体加入蒸馏水中，通过超声振荡的方式产生的。

3、所述圆锥台形光纤尖是利用光纤端研磨技术将环形芯光纤前端研磨成α＝17°的圆锥台，研磨深度为102μm。

本发明提供了一种由表面张力形成完美表面的高Q值液滴微球腔，采用环形芯光纤光镊稳定控制液滴微球，并通过高耦合效率的光纤锥进行泵浦光注入和发射激光收集的液滴回音壁模式激光器，该激光器具有极低的阈值。

本发明是基于如下原理设计的：

英国科学家Lord Rayleigh研究声音在弯曲的圣保罗大教堂走廊上传播时，发现可以清晰地听见与自己相距很远的两个人在回廊的另外一端的窃窃私语，所以这个声音传播的模式被称为“耳语回廊模式”。事实上，在北京天坛的回音壁也有类似的现象。类似于声波在墙面反射，当光在从光密向光疏介质入射且入射角足够大时，也可以在两种介质表面发生全反射，那么在弯曲的高折射率介质界面也存在光学回音壁模式。在闭合腔体的边界内，光则可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的行波传输模式。图2(a)和图2(b)展示了微球腔内的光线传播及微球腔赤道平面的上回音壁模式的模场分布。

由于光可以很好的限制在微腔的内部，所以这种回音壁模式有很高的Q值，微球腔回音壁模式激光器具有封闭光效率高、低阈值、成本低、工艺简单、不受材料限制、易于集成等优点。

通过对环形芯光纤端的研磨加工，将环形芯光纤端面加工成对称的圆锥台，如图5所示，环形芯光纤中的光在端面圆锥台结构斜面5-1处发生全反射，全反射的光在端面圆锥台结构顶面5-2处发生折射后出射，形成环形交叉光场。环形交叉光场在环形芯光纤圆锥台形光纤尖附近5-3交汇，交汇处形成一个三维光学梯度力势阱，构成三维捕获力大的环形芯光纤光镊，可实现微液滴的三维捕获及操纵。

回音壁模式的圆对称微腔中光学模场受到全反射限制，激光出射只能沿着其切线方向，依靠倏逝波的泄漏在平面内各向同性出射，这就导致激光输出功率低和收集能效低等问题。为了解决回音壁模式激光的方向性出射问题，各国研究人员提出了不同的方案，其中包括波导耦合、光纤锥耦合、棱镜耦合和各种变形微腔的设计等。用光学微球腔与锥形光纤进行耦合是激发微球腔中回音壁模式的常用方法，其耦合效率大于95％。微球光纤锥耦合系统的耦合状况受两者间距的影响很大，在进行耦合时需要保持耦合稳定。本发明通过使用环形芯光纤光镊稳定操纵液晶微液滴靠近锥形光纤锥区，并稳定在最优耦合条件距离处。图6展示了液滴回音壁模式与拉锥光纤耦合示意图。

本发明的优点在于：

1、利用环形芯光纤制成光纤光镊，对液晶微液滴进行捕获及操纵，解决了液滴回音壁模式激光器无法稳定操控液滴，稳定输出激光的问题，使液滴回音壁模式激光器可实用化。

2、由表面张力形成的液滴微球腔表面完美，具有极高的Q值，制作出的激光器阈值极低，克服了几十微米量级直径高Q值微球腔制作困难的问题。

3、采用环形芯光纤光镊操作液晶微滴稳定靠近锥形光纤锥区的方式，将液滴激光器的泵浦光注入并收集发射激光，耦合效率大幅提高，有效解决了回音壁模式微腔激光器输出功率低和收集能效低的问题。

附图说明

图1是本发明的液滴回音壁模式激光器结构示意图。

图2(a)是微球腔内光线传播示意图，图2(b)是微球腔赤道平面上回音壁模式模场分布图。

图3是环形芯光纤横断面示意图。

图4是单模光纤与环形芯光纤焊点处拉锥耦合结构示意图。

图5是环形芯光纤光镊光场示意图。

图6是液滴回音壁模式与拉锥光纤耦合示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的液滴回音壁模式激光器包括捕获光源1、单模光纤2、光纤耦合区3、环形芯光纤4、圆锥台形光纤尖5、掺杂有激光染料的液晶微液滴6、锥形单模光纤7、泵浦光源8、光谱仪9。

光源出射的激光束经单模光纤通过光纤耦合区注入到环形芯光纤的纤芯中，光在环形芯光纤圆锥台形光纤尖斜面处发生全反射和折射，在光纤圆锥台形光纤尖附近形成环形汇聚光场，实现光镊功能，使用该光镊稳定捕获掺杂有激光染料的液晶微液滴，将捕获的液晶微液滴靠近锥形单模光纤的锥区，泵浦光源从锥形单模光纤一端注入时，光谱仪在锥形单模光纤的另一端检测激发的激光。

所述的捕获光源，其波长可以是633nm，也可以是532nm、750nm、980nm。

所述的环形芯光纤，环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中。

所述的掺杂有激光染料的液晶微液滴，其直径为10μm-50μm，掺杂的激光染料可以是DCM，也可以是LDS等不溶于水的激光染料。

本发明可以通过如下方式实现：

如图1所示，选用波长633nm激光光源作为捕获光源，截取2m单模光纤，利用光纤剥线钳剥除光纤一端的涂覆层25mm，用酒精将光纤包层清洗干净。用光纤切割刀将光纤端面切平，插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入激光光源输出接口。

截取2m如图3所示外包层直径为125μm的环形芯光纤，4-1为环形芯光纤环形纤芯。将环形芯光纤一端、单模光纤另一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后放入光纤焊接机并焊接。将焊接后的光纤装载到氢氧焰光纤拉锥机夹具上，使焊点处于氢氧焰火焰头正下方。环形芯光纤的另外一端经涂覆层剥除、清洗、切割后，用连接电脑的CCD监测环形芯光纤环形纤芯的出射光场。氢氧焰拉锥机开始在焊点慢速拉锥后，当CCD监测到的光场强度达到最大值时，则停止拉锥，环形芯光纤中已可以稳定传输633nm捕获光。用玻璃套管封装，保护锥区，如图4所示。利用光纤端研磨技术将光纤端研磨成α＝17°的圆锥台，研磨深度为102μm，制作成环形芯光纤光镊，制作完成的环形芯光纤光镊结构及其出射光场如图5所示。

在电子天平上放置一个小试剂瓶，称其重量为0.618g，然后对电子天平进行去皮处理，用医用注射器向向试剂瓶中注入适量的液晶，用电子天平秤其重量在0.04g左右。通过同样的方法用称量纸取0.004gDCM染料，并将其倒入盛放液晶的试剂瓶中。将试剂瓶密封好，放入超声振荡装置中，振荡30分钟，染料掺杂的液晶溶液配制完毕。用滴管取1mL蒸馏水加入试管中，用微量移液器取激光染料掺杂的液晶液体1μL，加入试管中，用铁架台夹持试管，在超声振荡中振荡3分钟，形成染料掺杂的液晶微滴溶液。

截取2m单模光纤，一端经过涂覆层剥除、清洗、切割后插入裸纤适配器中，将裸纤适配器接入ASE1550nm激光光源输出接口。另一端同样处理后接入光谱仪输入接口，将光谱仪扫描范围调整为光源带宽1520nm-1610nm。在单模光纤中间部分选取25mm长度进行涂覆层剥除、清洗后，装载到氢氧焰光纤拉锥机夹具上，使处理好的裸纤部分处于氢氧焰火焰头正下方。氢氧焰拉锥机开始在焊点慢速拉锥后，当光谱仪上显示的干涉谱间隔小于5nm时，停止拉锥，此时单模光纤锥区为2μm。将载波片放置于锥区下方，用环氧胶将锥区两侧单模光纤固定在载玻片上后，小心取下单模光纤锥。

将载玻片放置于在显微镜下，并用滴管滴加染料掺杂的液晶微滴溶液，利用微操手控制环形芯光纤光镊捕获直径10μm的液晶微液滴，如图6所示。利用微操手控制环形芯光纤光镊操纵液晶微滴靠近拉锥单模光纤锥区7-1，此时即完成了液滴回音壁模式激光器制作。将532nm泵浦激光注入拉锥单模光纤一端，另一端即可接入光谱仪检测发射激光。

Claims (9)

1.一种液滴回音壁模式激光器，中间加工有锥区的第一单模光纤的前端与泵浦光源连接、后端与光谱仪连接，其特征是：第二单模光纤的后端连接捕获光源、前端通过光纤耦合区耦合连接环形芯光纤的后端，环形芯光纤的前端加工成圆锥台形光纤尖，捕获光源出射的激光束经第二单模光纤通过光纤耦合区注入到环形芯光纤的纤芯中，光在环形芯光纤圆锥台形光纤尖斜面处发生全反射和折射，在圆锥台形光纤尖附近形成环形汇聚光场实现光镊功能，所述光镊稳定捕获掺杂有激光染料的液晶微液滴，将捕获的液晶微液滴靠近第一单模光纤的锥区，泵浦光源从第一单模光纤的前端注入，光谱仪在第一单模光纤的后端检测激发的激光。

2.根据权利要求1所述的液滴回音壁模式激光器，其特征是：所述的捕获光源的波长是633nm、532nm、750nm或980nm。

3.根据权利要求1所述的液滴回音壁模式激光器，其特征是：所述的环形芯光纤的环形芯位置关于光纤主轴对称，并处于同一内外包层中。

4.根据权利要求1所述的液滴回音壁模式激光器，其特征是：所述的掺杂有激光染料的液晶微液滴的直径为10μm-50μm，掺杂的激光染料是DCM或LDS。

5.根据权利要求1所述的液滴回音壁模式激光器，其特征是：所述的第一单模光纤的锥区直径为1μm-2μm。

6.一种权利要求1所述的液滴回音壁模式激光器的制作方法，其特征是：利用光纤熔接机将单模光纤的前端和环形芯光纤的后端中心对准并焊接，在焊点处进行热熔融拉锥至环形芯光纤中可以稳定传输捕获光，通过光纤端面研磨法将环形芯光纤的前端面加工成圆锥台形光纤尖，形成环形芯光纤光镊，在显微镜下捕获水中掺杂有激光染料的液晶微液滴，并靠近通过热拉锥获得的锥形锥区的第一单模光纤的锥区，即形成液滴回音壁模式激光器。

7.根据权利要求6所述的液滴回音壁模式激光器的制作方法，其特征是：所述掺杂有激光染料的液晶是按质量比1:100的比例将激光染料与液晶混合后超声振荡30分钟所得到的。

8.根据权利要求6所述的液滴回音壁模式激光器的制作方法，其特征是：所述液晶微液滴是用移液器将掺杂有激光染料的液晶液体加入蒸馏水中，通过超声振荡的方式产生的。

9.根据权利要求6所述的液滴回音壁模式激光器的制作方法，其特征是：所述圆锥台形光纤尖是利用光纤端研磨技术将环形芯光纤前端研磨成α＝17°的圆锥台，研磨深度为102μm。