CN105356208A - 一种基于相移型微纳光纤光栅（mpsbg）的微纳光纤激光器 - Google Patents

一种基于相移型微纳光纤光栅（mpsbg）的微纳光纤激光器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，利用聚焦离子束系统在微纳光纤上刻蚀空气孔形成MPSBG。在MPSBG中央的光学微腔中填充基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3，采用波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光作为泵浦光源，即可输出波长为788nm的激光。本发明发挥了相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔对于光的强约束和反射作用，并且具有体积小、成本低、阈值低、操作简单、可高度集成等优势，是一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的新型微纳光纤激光器，可服务于未来各个领域的低成本、小体积、低阈值、可高度集成的微纳光纤激光器需求，特别是光电集成领域。

Description

一种基于相移型微纳光纤光栅（MPSBG）的微纳光纤激光器
技术领域
本发明涉及微纳光纤激光器的技术领域，具体涉及一种基于相移型微纳光纤光栅(MicrofiberPhase-ShiftedBraggGrating，MPSBG)的微纳光纤激光器，对于微纳光纤激光器的研制与应用有着重要的意义和价值，将服务于未来各个领域特别是光电集成和传感器等方面的应用。
背景技术
在当下信息社会中，对于芯片间、芯片外数据传输的需求量日益增长，电互联技术已经难以满足这种需求，而光作为信息载体有着无法比拟的优势，那么这就对于光电大规模集成有着更高的要求。激光光源作为集成器件的重要部分。因此迫切需要低阈值、低成本、小体积、可高度集成的微纳光纤激光器。目前激光器阈值较高、体积较大，不适合光电高度集成化。与此同时，近年来，光学微谐振腔已经吸引了越来越多的关注，基于光学微谐振腔的应用也越来越广泛。而微纳光纤相较于普通光纤具有独特的光学性质，同时小巧轻便、柔韧性较好。由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)制备而成的光学微腔有很大的优势，进而由此构成的微纳光纤激光器具有低阈值、成本低、易于制备、操作简单、可高度集成的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，具有成本低、阈值低、体积小、操作简易和可高度集成等特性。本发明还提供了所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器的基本原理和工作方式。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，包括一个泵浦光源、一个基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构、一个光谱分析仪。
所述泵浦光源发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构中的微纳光纤是由普通单模光纤(其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.12，截止波长为1250nm)采用微加热器拉制技术加热拉伸而成，所拉制的微纳光纤直径为2μm，均匀区长度为8mm。其两端仍为普通单模光纤。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构嵌在低折射率的UV固化聚合物(光波长为1550nm时，折射率为1.373)中，以固定该基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构，提高器件稳定性，并减小光的损耗。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构外部沉积了一层50nm厚的金薄膜层，用以防止在聚焦离子束刻蚀过程中的电子积累，在聚焦离子束系统刻蚀完成后移除。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构是利用聚焦离子束系统在微纳光纤上刻蚀空气孔而形成周期性光栅结构。光栅结构空气孔尺寸为156.2nm×718.7nm，光栅周期为467nm，左、右两端各20个周期，中央为687.5nm×718.7nm的光学微腔。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构中央的光学微腔中填充了基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3，作为基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器的增益介质。
另外，本发明提供一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，按照以下工作方法实现波长为788nm激光的输出：
相移型微纳光纤光栅(MPSBG)中光纤材料的折射率为1.45，空气的折射率为1，折射率调制高达0.45。因此，只需在微纳光纤上刻蚀几十个周期空气孔形成周期性光栅结构，即可形成高反射率的光纤光栅。选择左、右各20个周期的光纤光栅结构，其中光栅周期为467nm，光栅结构空气孔尺寸为156.2nm×718.7nm，中央为687.5nm×718.7nm的光学微腔，相移型微纳光纤光栅(MPSBG)就形成了一个反射率很高的微纳光纤光栅结构，并能够将光约束在此光学微腔内。
当泵浦光源发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光，通过普通单模光纤传输，经由微纳光纤光栅结构，到达由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔中。利用相移型微纳光纤光栅(MPSBG)对于光的强约束和反射作用。光在此光学微腔中不断反射，与填充其中的增益介质——基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3相互作用后，经由普通单模光纤输出激光，最后接入光谱分析仪检测到波长为788nm激光。
本发明的原理：本发明利用由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔对光的强约束和反射作用，作为微纳光纤激光器的谐振腔。并在该光学微腔中填充相应的基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体(hybrid(organic-inorganic)semiconductingcrystalsbasedonperovskitenanocrystals)材料CH3NH3PbI3作为增益介质。泵浦光通过普通单模光纤经由微纳光纤光栅结构进入光学微腔中，输入光在此光学微腔中发生反射，与增益介质——基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3相互作用后输出波长为788nm激光。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明利用由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔对于光的强约束和反射作用，从而使得微纳光纤激光器体积极小，可有效解决光电集成中激光光源需高度集成的问题；
(2)、本发明利用微纳光纤作为构成微纳光纤激光器的基本结构，使得激光器体积小，成本低，操作简单，且对操作环境没有严格要求；
(3)、本发明利用在光学微腔中填充相应的基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料形成激光，若采用钙钛矿型溴化物和碘化物的混合物或钙钛矿型氯化物和碘化物的混合物，可实现390nm至790nm的可调谐激光输出。
附图说明
图1为本发明一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器的结构图；
图2为本发明的相移型微纳光纤光栅(MPSBG)结构图；
附图标记列示如下：1-泵浦光源，2-普通单模光纤，3-UV聚合物层，4-基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构，5-利用聚焦离子束在微纳光纤上刻蚀空气孔形成的周期性光栅结构，6-光学微腔，7-普通单模光纤，8-光谱分析仪。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，包括泵浦光源1、基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4和光谱分析仪8。所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4包括利用聚焦离子束在微纳光纤上刻蚀空气孔形成的周期性光栅结构5，光学微腔6，普通单模光纤2和7；
所述泵浦光源1发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4中微纳光纤是由普通单模光纤(其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.12，截止波长为1250nm)采用微加热器拉制技术加热拉伸而成，所拉制的微纳光纤直径为2μm，均匀区长度为8mm。其左、右两端分别为普通单模光纤2和7。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4嵌在低折射率的UV固化聚合物3中。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4沉积了一层50nm厚的金薄膜层，并在聚焦离子束系统刻蚀完成后移除。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4是利用聚焦离子束系统在微纳光纤上刻蚀空气孔形成周期性光栅结构5。光栅结构空气孔尺寸为156.2nm×718.7nm，光栅周期为467nm，左、右两端各20个周期，中央为687.5nm×718.7nm的光学微腔6。
所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构4中央的光学微腔6中填充了基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3，作为基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器的增益介质。
基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器的工作方法主要是：
利用由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔对光的强约束和反射作用，作为微纳光纤激光器的谐振腔。并在该光学微腔6中填充相应的基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3作为增益介质。泵浦光通过普通单模光纤经由微纳光纤光栅结构进入光学微腔中，输入光在该光学微腔中发生反射，与增益介质相互作用后输出波长为788nm激光。
当泵浦光源1发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光，通过普通单模光纤2传输，经由微纳光纤光栅结构5，到达由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔6中。光在此光学微腔6中不断反射，并与填充其中的增益介质——基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3相互作用后，经由普通单模光纤7输出激光，最后接入光谱分析仪8中检测到波长为788nm激光。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (8)

1.一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：包括一个泵浦光源(1)、一个基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)和一个光谱分析仪(8)，所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)左、右两端分别为一段普通单模光纤(2、7)，两段普通单模光纤(2、7)内侧为一个利用聚焦离子束系统在微纳光纤上刻蚀空气孔形成的微纳光纤周期性光栅结构(5)，微纳光纤周期性光栅结构(5)中央为一个由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔(6)；
利用由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔(6)对光的强约束和反射作用，作为微纳光纤激光器的谐振腔，并在该光学微腔(6)中填充基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3作为增益介质，泵浦光通过普通单模光纤(2)经由微纳光纤周期性光栅结构(5)进入光学微腔(6)中，在该光学微腔(6)中发生反射，与增益介质相互作用后输出波长为788nm激光；
泵浦光源(1)发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光，通过普通单模光纤(2)传输，经由微纳光纤周期性光栅结构(5)，到达由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔(6)中，光被约束在此光学微腔(6)中不断反射，并与填充其中的增益介质——基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3相互作用后，经由普通单模光纤(7)输出激光，最后接入光谱分析仪(8)中检测到波长为788nm激光输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：所述制成基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)的微纳光纤是由普通单模光纤采用微加热器拉制技术加热而成，其纤芯直径为8.2μm，包层直径为125μm，数值孔径为0.12，截止波长为1250nm，所拉制的微纳光纤直径为2μm，均匀区长度为8mm，其两端仍为普通单模光纤(2、7)。
3.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)嵌在低折射率的UV固化聚合物层(3)中，以固定相移型微纳光纤光栅(MPSBG)，提高器件稳定性，并减小光的损耗。
4.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)沉积了一层50nm厚的金薄膜层，用以防止在聚焦离子束刻蚀过程中的电子积累，在聚焦离子束系统刻蚀完成后移除。
5.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)是利用聚焦离子束系统在微纳光纤上刻蚀空气孔而形成周期性光栅结构(5)，光栅结构空气孔尺寸为156.2nm×718.7nm，光栅周期为467nm，左、右两端各20个周期，中央为687.5nm×718.7nm的光学微腔(6)。
6.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：所述基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)中央的光学微腔(6)中填充了基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3。
7.根据权利要求1所述的一种基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器，其特征在于：当输入波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光作为泵浦光源(1)，光谱分析仪(8)检测到波长为788nm的输出激光。
8.一种如权利要求1至7之一所述的基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的微纳光纤激光器输出波长为788nm激光的工作方法，其特征在于：
基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)中光纤材料的折射率为1.45，空气的折射率为1，折射率调制高达0.45，因此，只需在微纳光纤上刻蚀几十个周期空气孔形成周期性光栅结构，即可形成高反射率的光纤光栅，选择左、右各20个周期的光纤光栅结构，其中光栅周期为467nm，光栅结构空气孔尺寸为156.2nm×718.7nm，中央为687.5nm×718.7nm的光学微腔(6)，此基于相移型微纳光纤光栅(MPSBG)的结构(4)就构成了一个反射率很高的微纳光纤光栅结构(5)，并能够将光约束在光学微腔(6)内；
当泵浦光源(1)发出波长为600nm，脉冲宽度为150fs，重复频率为1kHz的脉冲激光，通过普通单模光纤(2)传输，经由微纳光纤光栅结构(5)，到达由相移型微纳光纤光栅(MPSBG)构成的光学微腔(6)中，利用相移型微纳光纤光栅(MPSBG)对于光的强约束和反射作用，光在此光学微腔(6)中被约束并不断反射，与填充其中的增益介质——基于钙钛矿型纳米晶体的复合(有机-无机)半导体晶体材料CH3NH3PbI3相互作用后，经由普通单模光纤(7)输出激光，最后接入光谱分析仪(8)检测到波长为788nm的输出激光。
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