CN105006729B - 随机激光器、随机谐振腔制造及探测微小颗粒浓度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种随机激光器，包括：泵浦光源；激光反射镜；毛细管；染料溶液；滤光片；所述毛细管内壁涂有一层由纳米TiO2颗粒和紫外胶混合而成的随机介质薄膜，所述染料溶液填充在毛细管内部，构成随机谐振腔；所述泵浦光源产生的泵浦光波经激光反射镜反射后照射随机谐振腔，激发随机激光，随机激光输出后由滤光片过滤。本发明还公开了一种随机谐振腔的制造方法及探测微小颗粒浓度的方法。本发明的随机激光器谐振腔内壁涂有由纳米TiO2颗粒和紫外胶混合而成的随机介质薄膜，在多重散射作用下，增加了光在增益介质内的滞留时间，减少了增益长度，增强了对光的放大，增益大于损耗，降低了泵浦功率，实现了随机激光的可控输出。

Description

随机激光器、随机谐振腔制造及探测微小颗粒浓度的方法

技术领域

本发明涉及一种随机激光器，属激光领域，更具体的说是涉及一种随机激光器、随机激光器内随机谐振腔的制造方法以及利用随机激光器探测微小颗粒浓度的方法。

背景技术

自从Letokhov理论上预言随机激光器(RLS)的存在，RLS日益受到关注，由于其独特的性质。与常规的激光器需要通过固定反射镜形成的空腔相比，RLS仅依靠活性介质和散射介质，在其中光学反馈由多个光散射来实现的。光在从增益介质逸出之前经历多重散射。多重散射增加了光在增益介质内的滞留时间(也就是增加了光在增益介质中所走的路程)，增强了对光的放大。在这种情况下，不再需要通过外加反射镜来保留光于增益介质中。散射本身就可以承担这项工作。由于强光散射通常发生在高度无序的介质中，所以通常称为“随机”激光。随机激光器具有的结构简单、可制成任意形状，输出空间不相干时间相干光等特点，在成像、传感等领域具有重要应用价值。现有光纤型的随机激光通过瑞利散射产生，而瑞利散射强度弱，需要很长的增益长度和高的泵浦功率才能激发随机激光；传统结构中增益和散射混合一起，造成增益不连续，输出激光可控性差。

发明内容

为克服现有随机激光器需很长增益长度和高的泵浦功率才能激射，并且增益不连续，输出激光可控性差的技术缺陷，本发明提供了一种随机激光器、随机激光器内随机谐振腔的制造方法及利用随机激光器探测微小颗粒浓度的探测方法。

为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

随机激光器，该随机激光器包括：

泵浦光源，用于产生泵浦光波；

激光反射镜，用于反射泵浦光波；

毛细管，用于接收激光反射镜反射的泵浦光波，提供泵浦光波增益和激发随机激光；

染料溶液，用于充当增益介质；

滤光片，用于过滤泵浦光波；

所述毛细管内壁涂有一层由纳米TiO₂颗粒和紫外胶混合而成的随机散射介质薄膜，所述染料溶液填充在毛细管内部，构成随机谐振腔；

所述泵浦光源产生的泵浦光波经激光反射镜反射后照射随机谐振腔，激发随机激光，随机激光输出后由滤光片过滤。

优选的，所述染料溶液为罗丹明6G水溶液。

优选的，所述毛细管还可以是空心光纤。

优选的，所述随机散射介质薄膜也可以由散射体和介质溶液混合而成，所述散射体可以是散射颗粒或具有散射作用的生物细胞，所述介质溶液可以是硅树脂溶液或PMMA溶液。

同时，本发明还公开了随机谐振腔的制造方法，该制造方法包括以下步骤：

步骤一：选取毛细管作为随机谐振腔的载体；

步骤二：利用毛细现象将纳米TiO₂颗粒和紫外胶的混合液体吸入毛细管内部；

步骤三：利用空气压缩机按照固定流速向毛细管内充入空气，吹出多余的混合液体，令剩余的混合液体均匀涂抹在毛细管内壁，形成随机散射介质薄膜；

步骤四：利用紫外灯照射，固化所述毛细管内壁的随机散射介质薄膜；

步骤五：将染料溶液注入毛细管，形成随机谐振腔。

优选的，所述随机散射介质薄膜的厚度可通过改变固定流速而控制。

优选的，所述染料溶液通过微量注射泵以恒定的速度注入毛细管。

最后，利用随机激光器的输出功率对微流中散射体浓度变化敏感的特性，本发明还公开了一种微小颗粒浓度的探测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用上述的随机激光器，将含有微小颗粒的溶液与染料溶液混合成混合溶液，将混合溶液注入到毛细管内的随机谐振腔中；

步骤二：通过随机激光器的输出光谱图，从输出光谱图中得到微小颗粒浓度和随机激光输出强度的关系式，通过关系式得到微小颗粒浓度。

进一步的，所述关系式为：

f(x)＝aexp[b(x-41.5)/33.37]；

f(x)＝ln(y)；

式中：

a—拟合系数，可取6.779或6.691或6.868；

b—拟合系数，可取-0.1226或-0.1367或-0.1085；

x—微小颗粒浓度，单位mg/ml；可取1.875；

y—随机激光输出强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、本发明的随机激光器谐振腔内壁涂有由纳米TiO2颗粒和紫外胶混合而成的随机散射介质薄膜，在多重散射作用下，增加了光在增益介质内的滞留时间(也就是增加了光在增益介质中所走的路程)，减少了增益长度，增强了对光的放大，降低了泵浦功率，实现了随机激光的可控输出；同时，随机激光器可以动态地调整增益、散射颗粒的浓度以及种类，控制输出光谱的强度和波长。

2、本发明随机谐振腔的制造方法步骤简单，随机散射介质薄膜厚度均匀，制造的随机谐振腔增益效果好。

3、本发明利用随机激光器输出功率对微流中散射体浓度变化敏感的特性，用于探测溶液中微小颗粒的浓度，探测的微小颗粒浓度误差小，探测速度快。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的激光输出光谱图；

图3为本发明不同浓度的小球溶液的输出光谱图；

图中的标号分别表示为：1-泵浦光源；2-激光反射镜；、；3-毛细管；4-随机散射介质薄膜；5-染料溶液；6-滤光片；7-光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

具体实施方式

本发明公开了一种随机激光器，该随机激光器包括：

泵浦光源1，用于产生泵浦光波；

激光反射镜2，用于反射泵浦光波；

毛细管3，用于接收激光反射镜2反射的泵浦光波，提供泵浦光波增益和激发随机激光；

染料溶液5，用于充当增益介质；

滤光片6，用于过滤泵浦光波；

所述毛细管3内壁涂有一层由纳米TiO₂颗粒和紫外胶混合而成的随机散射介质薄膜4，所述染料溶液5填充在毛细管3内部，构成随机谐振腔；

所述泵浦光源1产生的泵浦光波经激光反射镜2反射后照射随机谐振腔，激发随机激光，随机激光输出后由滤光片6过滤。

随机激光是由光波在无序增益介质中经多重散射，随机形成模式，当模式中的增益大到足够可以抵消损耗时，即可形成激光输出。本发明中，泵浦光源1产生的泵浦光波经激光反射镜2多次反射后照射毛细管3，通过毛细管3内随机谐振腔的增益并激发随机激光，随机激光输出通过滤光片6过滤后由光谱仪7进行测量和分析。

本发明的随机激光器属于光纤型随机激光器，结构小巧，激光器中毛细管3采用中空的结构，在毛细管3内部的包层上涂抹由纳米TiO₂(二氧化钛)颗粒和紫外胶混合而成的随机散射介质薄膜，提高了散射强度，进而缩短了增益长度和降低了泵浦功率，而毛细管3采用中空结构，也使得增益和散射各自独立，可以动态地调整增益，同时也可以调整散射颗粒的浓度以及种类，控制输出光谱的强度和波长，毛细管3结构近似于一维，有利于光效率的提高,实现激光的定向输出。

本发明的随机激光器增加了光在增益介质内的滞留时间，也就是增加了光在增益介质中所走的路程，减少了增益长度，增强了对光的放大，降低了泵浦功率，实现了随机激光的可控输出；同时，随机激光器可以动态地调整增益、散射颗粒的浓度以及种类，控制输出光谱的强度和波长。

为提高增益效果和质量，所述染料溶液5可以是罗丹明6G水溶液或半导体量子点溶液。

所述毛细管3还可以是空心光纤。

所述随机散射介质薄膜4也可以由散射体和介质溶液混合而成，所述散射体可以是散射颗粒或具有散射作用的生物细胞，所述介质溶液可以是硅树脂溶液或PMMA溶液。随机散射介质薄膜4主要是提供多重散射，增加光在增益介质内的滞留时间，提高增益效果，因此，本发明的散射颗粒或具有散射作用的生物细胞溶于硅树脂溶液或PMMA溶液，组成的随机散射介质薄膜4可很好的实现目的。

本发明用于上述的随机谐振腔的制造方法包括以下步骤：

步骤一：选取毛细管3作为随机谐振腔的载体；

步骤二：利用毛细现象将纳米TiO₂颗粒和紫外胶的混合液体吸入毛细管3内部；

步骤三：利用空气压缩机按照固定流速向毛细管3内充入空气，吹出多余的混合液体，令剩余的混合液体均匀涂抹在毛细管3内壁，形成随机散射介质薄膜4；

步骤四：利用紫外灯照射，固化所述毛细管内壁的随机散射介质薄膜4；

步骤五：将染料溶液5注入毛细管3，形成随机谐振腔。

本制造方法通过毛细管3自身特性吸收混合液体，并通过空气压缩机按照固定流速将混合液体均匀涂抹在毛细管3内壁，形成厚度均匀的随机散射介质薄膜4，制造方便、快捷，制成的随机谐振腔内部厚度均匀、散射效果好。

在本方法中，所述随机散射介质薄膜4的厚度可通过改变固定流速而控制。固定流速快慢可决定随机散射介质薄膜4的厚度大小，根据需要可自行调节厚度。

在本方法中，所述染料溶液5通过微量注射泵以恒定的速度注入毛细管3。染料溶液5以恒定的速度注入毛细管3，不仅可以避免增益漂白现象，而且可以实现动态控制增益介质的组成，保证染料溶液5在毛细管3内的浓度均匀。

基于上述的随机激光器，本发明还提供了一种探测溶液中微小颗粒浓度的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用上述的随机激光器，将含有微小颗粒的溶液与染料溶液5混合成混合溶液，将混合溶液注入到毛细管3内的随机谐振腔中；

步骤二：通过随机激光器的输出光谱图，从输出光谱图中得到微小颗粒浓度和随机激光输出强度的关系式，通过关系式得到微小颗粒浓度。

本方法中，利用随机激光器的输出功率对微流中散射体浓度变化敏感的特性，本方法利用微小颗粒具有散射作用，将微小颗粒通入到毛细管3内的随机谐振腔中，通过输出光谱图得到微小颗粒浓度和随机激光输出强度的关系式，通过关系式计算颗粒浓度。

在该方法中，所述关系式为：

f(x)＝aexp[b(x-41.5)/33.37]；

f(x)＝ln(y)；

式中：

a—拟合系数，可取6.779或6.691或6.868；

b—拟合系数，可取-0.1226或-0.1367或-0.1085；

x—微小颗粒浓度，单位mg/ml；可取1.875；

y—随机激光输出强度。

上式中的a，b均为拟合系数，通过MATLAB(矩阵实验室)拟合得到。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

实施例一

如图1所示的随机激光器，采用波长532nm的泵浦光源1、激光反射镜2及滤光片6，染料溶液5采用罗丹明6G的水溶液，毛细管3采用1017Q型毛细管，其内径为100um，外径为170um，随机散射介质薄膜4为纳米TiO₂颗粒和紫外胶的混合物。

首先，通过两个实验验证TiO₂颗粒的作用：

第一个：在毛细管内壁仅涂有一层薄薄的紫外胶，紫外灯照射固化，通过微量注射泵的控制，以恒定的速度充入所述染料溶液。所述染料溶液为罗丹明6G的水溶液，其中填充基质为去离子水，增益介质为罗丹明6G，罗丹明溶液的浓度为1mol/L。在图1所述的随机激光器中观察光谱图，仅得到荧光谱，没有激射现象。

第二个：而在毛细管内壁涂抹薄薄的紫外胶和纳米TiO₂颗粒粘稠混合液，紫外灯照射固化，同样通过微量注射泵的控制，以一定的速度充入所述染料溶液。所述燃料溶液为罗丹明6G的水溶液，填充基质为去离子水，增益介质为罗丹明6G，罗丹明溶液的浓度为1mol/L。在图1所述的随机激光器中观测光谱图，得到随机激光输出。

通过上述两个实验可知，本发明中的随机激光器中谐振腔的随机散射介质薄膜中纳米TiO₂颗粒的存在，提供了多重散射，增加了光在增益介质内的滞留时间，即增加了光在增益介质中所走的路程，增强了对光的放大，增益大于损耗，实现了激光输出。

本实施例在选用上述参数的条件下，分别在随机散射介质薄膜4中添加无散射作用的颗粒和有散射作用的颗粒TiO₂,TiO₂的质量比为21％，增益介质即罗丹明6G的水溶度，浓度为1mol/L，如图2所示为本实施例的输出光谱图，为了确定本实施例的随机激光输出的重复性，测量记录了不同时刻的激光输出光谱。从输出光谱图明显可以看出，在只添加无散射颗粒的情况下，光谱仪7中仅观察到荧光谱；而添加有散射作用的颗粒TiO₂的情况下,得到了随机激光的输出谱。

本实施例通过上述实验论证了随机激光器的散射作用，实现了随机激光的输出，散射强度提高，并且缩短了增益长度和降低乐泵浦功率。

本实施例中，还针对微小颗粒浓度的探测方法，进行了以下实验：

配置等体积的罗丹明6G水溶液若干份，浓度为1mol/L，分别在此基础添加不同体积的小球溶液，得到不同小球浓度的罗丹明6G水溶液。在所述光纤型随机激光器的谐振腔中填充不含微小颗粒(聚合物小球)的罗丹明6G水溶液，记录输出光谱，得到用于对比的初始光谱；其次依次填充之前准备的含有聚合物小球的罗丹明6G水溶液，小球浓度依次递增，将其填充到所述随机谐振腔中，保证其在除了填充溶液不同外其余测量条件相同，依次记录其输出光谱，对所得到的数据进行分析处理。

如图3所示为不同浓度的小球溶液的输出光谱图。A、B、C图记录的小球浓度分别为0、56.25mg/ml、112.5mg/ml。D图为不同浓度下的输出光子数的变化,小球浓度为1.875mg/ml。从图3可明显看出，随着小球浓度的增加，激光的输出强度依次减弱。由于小球在溶液中有散射的作用，随着小球浓度增加，激光的输出模式有一个从少到多的过程，当增加到一定的浓度，激光现象消失。由此可知，在一定浓度范围内，溶液中微小颗粒浓度的变化会影响随机激光器的激光输出强度。

针对以上实验，申请人通过分析、处理和总结，并结合实验数据，利用MATLAB(矩阵实验室)拟合曲线，从输出光谱图中总结出了微小颗粒浓度和随机激光输出强度的关系式，通过关系式得到微小颗粒浓度，该关系式为：

f(x)＝aexp[b(x-41.5)/33.37]； (1)

f(x)＝ln(y)； (2)

式中：

a—拟合系数，可取6.779或6.691或6.868；

b—拟合系数，可取-0.1226或-0.1367或-0.1085；

x—微小颗粒浓度，单位mg/ml；可取1.875；

y—随机激光输出强度。

从输出光谱得到(2)式中的随机激光输出强度y，然后通过MATLAB得到拟合系数a，b，最后通过(1)、(2)式得到微小颗粒浓度x。通过本方法来探测微小颗粒浓度的方法，尚属于一种新的探测微小颗粒浓度的方法，通过该方法探测的微小颗粒浓度的误差较小。

本实施例取小球浓度112.5mg/ml的输出光谱图来计算小球浓度，从输出光谱图得知随机激光输出强度y为549，a取6.779，b取-0.1226，带入(1)、(2)式中，得到微小颗粒浓度为114.6mg/ml，得到的微小颗粒浓度与原始浓度112.5mg/ml相比，仅相差2.1mg/ml，因此，这种探测方法是可实现且误差较小的，为未来探测溶液中微小散射颗粒的浓度提供了一种新的方法。

如上所述即为本发明的实施例。本发明不局限于上述实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.随机激光器，其特征在于，该随机激光器包括：

泵浦光源(1)，用于产生泵浦光波；

激光反射镜(2)，用于反射泵浦光波；

毛细管(3)，用于接收激光反射镜(2)反射的泵浦光波，提供泵浦光波增益和激发随机激光；

染料溶液(5)，用于充当增益介质；

滤光片(6)，用于过滤泵浦光波；

所述毛细管(3)内壁涂有一层由纳米TiO₂颗粒和紫外胶混合而成的随机散射介质薄膜(4)，所述染料溶液(5)填充在毛细管(3)内部，构成随机谐振腔；

所述泵浦光源(1)产生的泵浦光波经激光反射镜(2)反射后照射随机谐振腔，激发随机激光，随机激光输出后由滤光片(6)过滤。

2.根据权利要求1所述的随机激光器，其特征在于，所述染料溶液(5)为罗丹明6G水溶液。

3.根据权利要求1所述的随机激光器，其特征在于，所述毛细管(3)还可以是空心光纤。

4.根据权利要求1所述的随机激光器，其特征在于，所述随机散射介质薄膜(4)也可以由散射体和介质溶液混合而成，所述散射体可以是散射颗粒或具有散射作用的生物细胞，所述介质溶液可以是硅树脂溶液或PMMA溶液。

5.一种随机谐振腔的制造方法，其特征在于，该制造方法包括以下步骤：

步骤一：选取毛细管(3)作为随机谐振腔的载体；

步骤二：利用毛细现象将纳米TiO₂颗粒和紫外胶的混合液体吸入毛细管 (3)内部；

步骤三：利用空气压缩机按照固定流速向毛细管(3)内充入空气，吹出多余的混合液体，令剩余的混合液体均匀涂抹在毛细管(3)内壁，形成随机散射介质薄膜(4)；

步骤四：利用紫外灯照射，固化所述毛细管内壁的随机散射介质薄膜(4)；

步骤五：将染料溶液(5)注入毛细管(3)，形成随机谐振腔。

6.根据权利要求5所述的随机谐振腔的制造方法，其特征在于，所述随机散射介质薄膜(4)的厚度可通过改变固定流速而控制。

7.根据权利要求5所述的随机谐振腔的制造方法，其特征在于，所述染料溶液(5)通过微量注射泵以恒定的速度注入毛细管(3)。

8.一种探测颗粒浓度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用权利要求1～4任一项所述的随机激光器，将含有微小颗粒的溶液与染料溶液(5)混合成混合溶液，将混合溶液注入到毛细管(3)内的随机谐振腔中；

步骤二：通过随机激光器的输出光谱图，从输出光谱图中得到微小颗粒浓度和随机激光输出强度的关系式，通过关系式得到微小颗粒浓度。

9.根据权利要求8所述的探测颗粒浓度的方法，其特征在于，所述关系式为：

f(x)＝a×exp[b(x-41.5)/33.37]；

f(x)＝ln(y)；

式中：

a—拟合系数，可取6.779或6.691或6.868；

b—拟合系数，可取-0.1226或-0.1367或-0.1085；

x—微小颗粒浓度，单位mg/ml；可取1.875；

y—随机激光输出强度。