CN104993371B - 可调谐液体微球激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种可调谐液体微球激光器。第一捕获光源(1)、第二捕获光源(2)和泵浦光源(3)分别通过隔离器连接至激发控制部分(7)，激发控制部分(7)通过1x2耦合器(8)连接至光检测器(9)，1x2耦合器(8)的另一端口为激光输出端口；激发控制部分(7)包含第一捕获光纤(7a)、第二捕获光纤(7b)、泵浦光输入光纤(7c)、激光输出光纤(7d)和液体微球(7e)，液体微球位于泵浦光输入光纤和激光输出光纤之间；液体微球中包含活性激光介质并被置于外部透明液体介质(7f)中。本发明采用光纤光镊技术、光学谐振原理和激光原理，提出了一种可调谐的液体微球激光器，具有稳定性高，易操控，高Q值，输出阈值低等优点。

Description

可调谐液体微球激光器

技术领域

本发明涉及的是一种激光器，具体地说是一种具有稳定输出的可调谐液体微球激光器。

背景技术

微球激光是基于回音壁模式(Whispering Gallery Modem,WGM)的微腔激光。WGM具有长相干长度，窄光谱线宽，低阈值、高转化效率、高速调制等特点，基于WGM院里的微球激光具有极高的品质因子(Q值)和极小的模式体积以及非常宽的频段覆盖能力。早在1961年C.G.B.Garrett等人把二价Sm离子掺入CaF₂晶体中，再将其研磨成直径1～2毫米的球形，在闪光灯激发下，观察到了受激发射光，这便是最早的微球激光器。其后，随着耦合理论的发展以及各种耦合器件的产生，球形微腔在许多领域中得到了广泛的研究与发展。

早期的回音壁模式的实验研究主要在微波波段，直到20世纪70年代，激光光谱技术的发展，将回音壁模式的研究扩展到了光学波段。1989年，俄国的Braginsky等人通过烧融玻璃光纤，在实验中成功的制备出稳定的固态玻璃微球腔(Quality-factor andnonlinear properties of optical whispering-gallery modes.PhysLett A,1989,137:393–397)，并证明直径150微米的球腔中Q值高达10⁸。其相对简单的制备方法和稳定性,迅速得到推广，大量的实验研究小组投入到回音壁模式的研究领域中。目前，含有不同掺杂物的极低阈值的固体微球激光器已由多人实现。但是，使用研磨或者烧融方式制得的固体微球，其表面粗糙度都无法与由于液体表面张力而形成的液体微球相比，因此，液体微球具有更加突出的优点。

实际上，液体微球激光器的研究工作相比固体微球激光器要早许多年。1977年，Ashkin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，耶鲁大学的Chang教授研究小组则于1980年在掺杂染料的聚合物微球的荧光光谱中直接观测了高Q值回音壁模式对应的谐振峰。1986年，复旦大学的钱士雄在访问耶鲁大学期间，在球形液滴中实现了低阈值的激光器(Lasing droplet:high-lighting theliquid-air interface by laser emission.Science,1986,231:486–488)，其中使用机械振动的方法控制染料溶液的液滴体积，使用激发光照射小球的下落轨迹区域，得到了液体微球激光。这种方法的缺点在于宏观机械振动不精确，液滴具有极大的不稳定性，难以实现稳定的激光输出。正是由于液滴的不稳定性，使得液体微球激光器在过去很长一段时间里没有取得突破性的进展。

发明内容

本发明目的在于提供一种稳定性高，易操控，Q值高且具有极低输出阈值的可调谐液体微球激光器。

本发明的目的是这样实现的：包括第一捕获光源1、第二捕获光源2、泵浦光源3、激发控制部分7、光检测器9，所述的激发控制部分7包含第一捕获光纤7a、第二捕获光纤7b、泵浦光输入光纤7c、激光输出光纤7d和液体微球7e，第一捕获光源1经第一隔离器4连接第一捕获光纤7a构成第一光纤光镊，第二捕获光源2经第二隔离器5连接第二捕获光纤7b构成第二光纤光镊，泵浦光源3经第三隔离器6连接泵浦光输入光纤7c，激光输出光纤7d通过1×2耦合器8的一个端口连接至光检测器9，1×2耦合器8的另一端口为激光输出端口，液体微球7e位于泵浦光输入光纤7c和激光输出光纤7d之间，所述的液体微球7e中包含活性激光介质并被置于外部透明液体介质7f中。

本发明还可以包括：

1、泵浦光输入光纤7c和激光输出光纤7d与液体微球7e之间的距离可调。

2、液体微球7e的直径在几微米到100微米之间。

3、外部透明液体介质7f与液体微球7e介质互不相容。

本发明中的活性激光介质可以是有机荧光染料、稀土离子、量子点或其它荧光介质。

本发明将光纤光镊技术应用于液体微球激光器中，能够对液体微球进行精确的选取与操控，提出了一种能够稳定工作并具有高Q值、极低阈值的可调谐球形液滴激光器。同时，能够通过改变耦合光纤与液体微球的间距或者改变液体微球的折射率，调节输出激光的强度与相位；通过改变液体微球的体积或所掺杂激光活性物质的种类，可以进行输出激光波长的选择。

本发明的其工作原理为：

本发明中的微球激光是利用高Q值回音壁模式(Whispering Gallery Modem,WGM)的液体微球腔而获得。

WGM就是指耦合进入微球内的光波在微腔内表面不断进行全反射，从而被约束在球内并沿球的赤道面上的大圆绕行，绕行的光波满足一定相位匹配条件时，可以相互叠加增强，如图3所示；而在球外的光场为近场,即局限于球表面附近的倏逝波(evanescentwave)，它是一种非传播波，光场的振幅在微球的矢径方向呈指数下降，因此从球内透出到球外的平均能流为零，这就使回音壁模式下的微球具有极高的品质因数和极小的模式体积。

我们使用双光纤光镊稳定的捕获并操纵一个液体微球，使输入光纤末端出射的泵浦光射入液体微球中，光在液体微球内以WGM传播，光在不断积累增多的同时激发液体微球内掺杂的激光活性物质，从而产生更多的光，液体微球内的光不断增强，当光强达到一定程度时，光从液体微球内逸出并耦合进输出光纤，实现激光的激发与输出。因而,使用光纤将微弱的光信号耦合进液体微球后，能够使光强增强很多倍并稳定输出。输入输出耦合光纤与液体微球的距离和液体微球的折射率影响光输入与输出的耦合系数，从而能够调谐输出激光的强度与相位；液体微球的直径和激光活性物质的种类则影响着输出激光的波长，从而能够对输出的激光波长进行调谐。

由现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明给出了一种基于双光纤光镊的可调谐液体微球激光器，使得液体微球激光保持稳定输出，具有极高的Q值和极低的输出阈值，并且具有调谐方法简单、可调谐频带宽等突出优点。

2.可调谐液体微球激光器能够很好地与全光纤系统实现低损耗连接，同时对激励能量的要求很低，非常适用于光信号放大等具有特殊要求的领域。

附图说明

图1为可调谐液体微球激光器的结构示意图；

图2为可调谐液体微球激光器的激发控制部分结构示意图；

图3(a)至(b)为微球中光以回音壁模式传播是的传输路径示意图，其中：图3(a)为光经过八次反射完成一周；图3(b)为光经过十六次完成一周。

具体实施方式

如图1所示，本发明的基本方案：

搭建双光纤光镊系统，使用双光纤光镊在掺杂有激光活性物质的液体微球7e悬浊液中选取直径合适的液体微球7e并将其捕获，将液体微球7e移动至合适的外部透明液体介质7f中；将连接好的泵浦光输入光纤7c端和激光输出光纤7d端在液体微球7e的同一圆周不同方向上靠近液体微球7e，打开泵浦光光源3，调节输入输出耦合光纤与液体微球7e的间距并通过光检测器9观测激光的输出情况，实现液体微球激光的输出。

下面举例说明本发明的具体制作方法。

具体实施例1，一种液体微球激光器的实现，并对输出激光的光强和相位进行调谐。

步骤如下：

1、光学系统搭建：

①选用两个波长为980纳米的激光器作为捕获光源，第一捕获光源1和第二捕获光源2的输出端焊接到第一隔离器4和第二隔离器5，将隔离器的输出端都焊接一段标准单模光纤，单模光纤的尾端去除涂覆层约30毫米并切割平整，形成第一捕获光纤7a端和第二捕获光纤7b端，实现一套双光纤光镊；

②选用中心波长为532纳米的激光器作为泵浦光源3，泵浦光源3的输出端焊接到第三隔离器6，将隔离器的输出端焊接一段标准单模光纤，单模光纤的尾端去除涂覆层约30毫米并切割平整，形成泵浦光输入光纤7c端；

③将一段标准单模光纤两端去除涂覆层约30毫米并切割平整，一端作为激光输出光纤7d端，另一端焊接至一个1×2耦合器8的单端口一端，1×2耦合器8另一端的一个端口连接至光检测器9(光谱仪)，另一个端口作为激光输出端。

2、液体微球的制备：

①在液晶中掺入10％的DCM染料，将混合液放入超声清洁器进行超声振动约30分钟，使液晶与染料充分混合；

②在掺有染料的液晶中加入约液晶体积10倍的蒸馏水，再次放入超声清洁器进行超声振动，待混合液形成乳白色悬浊液时取出，制得含有各种直径的液体微球7e(液晶微球)的悬浊液。

3、液体微球的选取：

①取一滴步骤2-2所述的液晶悬浊液滴在载玻片上，使用双光纤光镊在液晶悬浊液中选取一个直径为几微米到100微米的液晶微球7e，本实施例中所选取的液晶微球7e直径为20微米；

②使用光纤光镊将所选取的液晶微球7e移动到透明液体介质7f中，本实施例中，根据液晶悬浊液的溶液，选用蒸馏水作为透明液体介质7f。

4、将泵浦光输入光纤7c端和激光输出光纤7d端置于同一水平面上，并从相对的位置使其端面贴近液晶微球7e。

5、打开泵浦光源3，调节泵浦光输入光纤7c和激光输出光纤7d与液晶微球7e的距离，同时通过光谱仪9观测激光输出情况，本实施例中液体小球激光器的输出激光中心波长约为630纳米。

6、通过改变泵浦光输入光纤7c和激光输出光纤7d与液晶微球7e的距离观测输出激光光强和相位的变化；也可以通过改变染料掺杂浓度从而改变液晶微球(7e)折射率的方式进行输出激光光强和相位的调谐。

具体实施例2，一种液体微球激光器的实现，并对输出激光的波长进行选取。

步骤如下：

1、光学系统搭建：

①选用两个波长为980纳米的激光器作为捕获光源，第一捕获光源1和第二捕获光源2的输出端焊接到第一隔离器4和第二隔离器5，将隔离器的输出端都焊接一段标准单模光纤，单模光纤的尾端去除涂覆层约30毫米并切割平整，形成第一捕获光纤7a端和第二捕获光纤7b端，实现一套双光纤光镊；

②选用中心波长为532纳米的激光器作为泵浦光源3，泵浦光源3的输出端焊接到第三隔离器(6)，将隔离器的输出端焊接一段标准单模光纤，单模光纤的尾端去除涂覆层约30毫米并切割平整，形成泵浦光输入光纤7c端；

③将一段标准单模光纤两端去除涂覆层约30毫米并切割平整，一端作为激光输出光纤7d端，另一端焊接至一个1×2耦合器8的单端口一端，1×2耦合器8另一端的一个端口连接至光检测器9(光谱仪)，另一个端口作为激光输出端。

2、液体微球的制备：

①在液晶中掺入10％的DCM染料，将混合液放入超声清洁器进行超声振动约30分钟，使液晶与染料充分混合；

②在掺有染料的液晶中加入约液晶体积10倍的蒸馏水，再次放入超声清洁器进行超声振动，待混合液形成乳白色悬浊液时取出，制得含有各种直径的液体微球7e(液晶微球)的悬浊液。

3、液体微球的选取：

①取一滴步骤2-2所述的液晶悬浊液滴在载玻片上，使用双光纤光镊在液晶悬浊液中选取一个直径为几微米到100微米的液晶微球7e，本实施例中所选取的液晶微球7e直径为20微米；

②使用光纤光镊将所选取的液晶微球7e移动到透明液体介质7f中，本实施例中，根据液晶悬浊液的溶液，选用蒸馏水作为透明液体介质7f。

4、将泵浦光输入光纤7c端和激光输出光纤7d端置于同一水平面上，并从相对的位置使其端面贴近液晶微球7e。

5、打开泵浦光源3，调节泵浦光输入光纤7c和激光输出光纤7d与液晶微球7e的距离，同时通过光谱仪9观测激光输出情况，本实施例中液体小球激光器的输出激光中心波长约为630纳米。

6、通过选取不同直径的液晶微球7e，观测输出激光中心波长的变化；也可以通过改变液体微球7e中所掺杂激光活性物质种类的方式进行输出激光中心波长的选取。

Claims (5)

1.一种可调谐液体微球激光器，包括第一捕获光源(1)、第二捕获光源(2)、泵浦光源(3)、激发控制部分(7)、光检测器(9)，所述的激发控制部分(7)包含第一捕获光纤(7a)、第二捕获光纤(7b)、泵浦光输入光纤(7c)、激光输出光纤(7d)和液体微球(7e)，其特征是：第一捕获光源(1)经第一隔离器(4)连接第一捕获光纤(7a)构成第一光纤光镊，第二捕获光源(2)经第二隔离器(5)连接第二捕获光纤(7b)构成第二光纤光镊，泵浦光源(3)经第三隔离器(6)连接泵浦光输入光纤(7c)，激光输出光纤(7d)通过1×2耦合器(8)的一个端口连接至光检测器(9)，1×2耦合器(8)的另一端口为激光输出端口，液体微球(7e)位于泵浦光输入光纤(7c)和激光输出光纤(7d)之间，所述的液体微球(7e)中包含活性激光介质并被置于外部透明液体介质(7f)中；第一捕获光源(1)和第二捕获光源(2)为波长为980纳米的激光器，泵浦光源(3)为波长为532纳米的激光器。

2.根据权利要求1所述的可调谐液体微球激光器，其特征是：泵浦光输入光纤(7c)和激光输出光纤(7d)与液体微球(7e)之间的距离可调。

3.根据权利要求1或2所述的可调谐液体微球激光器，其特征是：液体微球(7e)的直径在几微米到100微米之间。

4.根据权利要求1或2所述的可调谐液体微球激光器，其特征是：外部透明液体介质(7f)与液体微球(7e)介质互不相容。

5.根据权利要求3所述的可调谐液体微球激光器，其特征是：外部透明液体介质(7f)与液体微球(7e)介质互不相容。