CN107453196A - 基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，包括：载玻片，包括并排设置的第一载玻片和第二载玻片；微光纤，两端分别设于第一载玻片和第二载玻片上面；聚合物瓶子微腔，套在微光纤中间部位之上；泵浦光纤探针，设置于聚合物瓶子微腔之上并且与聚合物瓶子微腔相耦合，聚合物瓶子微腔由树脂溶液固化而成，该树脂溶液的组分包括激光增益物质、高分子有机溶剂、高粘度树脂和固化剂。该单模激光元件通过改变泵浦光纤探针在聚合物瓶子微腔轴向上的耦合位置来实现，由于泵浦光纤探针在耦合位置对光致发光引起极大的散射损耗，从而抑制了高阶激光模式，仅有腔体对称中心的基模被激发，从而实现单模激光的输出。

Description

基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件

技术领域

本发明涉及一种微纳光学器件，具体涉及一种基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件。

背景技术

回音壁模式(WGM)光学微腔使光在散射或被吸收之前沿着靠近腔体表面的赤道轨迹长时间循环，具有长光子寿命、强光场束缚和面内发射等引人注目的优点，被应用于包括激光、传感、光通信等诸多领域。到目前为止，已经有许多不同结构的腔体实现了WGMs，例如微球、微环、微滴、微盘，微环芯和微光纤等。WGM激光器因为缺乏模式选择策略，所以其输出通常是多模式的。具我们了解，实现单模激光的直接方式是减小微腔体的尺寸，但该方法会降低谐振腔内光的往返增益，从而导致光学微腔的高激光阈值。有研究者通过游标效应和奇偶校验时间对称效应来使用耦合腔，以此实现光学微腔的单模激光输出。然而，他们光学微腔的制造流程繁琐，工艺要求高，集成难度大，成本高，且实现单模激光的策略难以走出实验室。

近年来，瓶子微谐振腔由于其独特的光学特性在许多领域得到广泛研究和应用，如紧凑型光延迟线、腔体光力学、激光、电磁感应透明样现象和非线性光学等。瓶子微腔高度增长的形状提供了独特的光谱特性，WGM沿着瓶子微腔长轴方向具有不同的强度分布，可以根据其轴向数量利用它们来操纵谐振腔的谐振模式，从而减少光谱中的共振模式数。

使用光纤探针将光耦合到WGM谐振器中是一种常见且有效的方法。在临界条件下，通过合理选择光纤探针的直径和控制其与谐振腔之间的距离，可以实现高达99％的高耦合效率。通常，由于光纤探针和谐振腔之间的直径不匹配，尽管输入功率的一小部分可以耦合到谐振腔中，但是光纤探针和谐振腔之间的耦合将导致在耦合位置处相对较大的散射损耗。本文中，我们利用这种散射损耗来抑制高阶WGM，并且证明了聚合物瓶子微谐振腔的单模激光输出。当光纤探针放置在瓶子微腔中心的侧边上时，高阶模式将遭受非常大的散射损耗，只有本征基模才能被有效激发。通过选择合适直径的光纤探针和调整耦合位置，我们实现了基于聚合物瓶子微腔的单模激光。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件。

本发明提供了一种基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，具有这样的特征，包括：载玻片，包括并排设置的第一载玻片和第二载玻片；微光纤，两端分别设于第一载玻片和第二载玻片上面；聚合物瓶子微腔，套在微光纤中间部位之上；以及泵浦光纤探针，设置于聚合物瓶子微腔之上并且与聚合物瓶子微腔相耦合，聚合物瓶子微腔由树脂溶液固化而成，该树脂溶液的组分包括激光增益物质、高分子有机溶剂、高粘度树脂和固化剂。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件中，还可以具有这样的特征：其中，微光纤的尖端直径范围在1-5μm。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件中，还可以具有这样的特征：其中，聚合物瓶子微腔的直径为4-10μm。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件中，还可以具有这样的特征：其中，泵浦光纤探针的尖端直径范围在0.6-3μm。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件中，还可以具有这样的特征：其中，激光增益物质为钙钛矿纳米颗粒、量子点、菁类染料、嗪类染料、香豆素类染料中的一种。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：

步骤1，用二氧化碳激光器作为热源，高温拉伸法拉制普通单模光纤，制备出微光纤以及泵浦光纤探针；

步骤2，将微光纤的两端放置在第一载波片和第二载玻片上，中间段悬空；

步骤3，将激光增益物质溶于高分子有机溶剂并与高粘度树脂和固化剂混合，而后在圆周振荡摇床上振荡均均匀，得到树脂溶液；

步骤4，将泵浦光纤探针浸入步骤4中配制好的树脂溶液中并快速抽出得到微液滴；

步骤5，在光学显微镜下使泵浦光纤探针与微光纤垂直接触并定向移动，将树脂溶液粘附在微光纤上，让树脂溶液随机缩聚成不同口径的聚合物瓶子微腔；

步骤6，将在微光纤上得到的聚合物瓶子微腔放入高温炉60℃条件下加热1小时，待树脂溶液固化后，便获得单模激光元件。

在本发明提供的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，还可以具有这样的特征：步骤3中的激光增益物质在树脂溶液中的质量浓度为2.5％，高分子有机溶剂与高粘度树脂的体积比为1:10。

在本发明提供的基于瓶子微腔的单模激光元件在单模激光的输出中的应用，具有这样的特征，包括如下步骤：

步骤1，使用泵浦光纤探针垂直耦合聚合物瓶子微腔；

步骤2，改变泵浦光纤探针在聚合物瓶子微腔表面的位置，使之在实现光激励的同时损耗掉高阶模的荧光，从而抑制高阶模激光的输出，即可在光学微腔中实现单模激光的输出。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，因为所采用的泵浦光纤探针垂直耦合于聚合物瓶子微腔，能够改变泵浦光纤探针在瓶子型光学微腔表面的位置，使之在实现光激励的同事损耗掉高阶模的荧光。所以，本发明的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件能够抑制高阶模激光的输出，可在聚合物瓶子微腔中实现单模激光的输出，并且结构简单紧凑。

附图说明

图1是本发明的实施例中的单模激光元件的结构示意图；

图2(a)是本发明的实施例中聚合物瓶子微腔在100倍物镜下的光学显微镜成像，微腔体直径5.53μm；

图2(b)是本发明的实施例中图2(a)在暗场下由光纤探针泵浦得到多模激光的泵浦图；

图2(c)是本发明的实施例中图2(a)中光纤探针改变耦合位置的光学显微镜成像图；

图2(d)是本发明的实施例中图2(c)的在暗场下由光纤探针泵浦得到单模激光的泵浦图。

图3是本发明的实施例中对应图2(b)和图2(d)的激光图谱。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段与功效易于明白了解，以下结合实施例及附图对本发明作具体阐述。

图1是本发明的实施例中的单模激光元件的结构示意图。

如图1所示，本实施例的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件100，包括载玻片1、微光纤2、聚合物瓶子微腔3和泵浦光纤探针4。

载玻片1，包括并排设置的第一载玻片101和第二载玻片102。

微光纤2，两端分别设于第一载玻片101和第二载玻片102上面，微光纤2的尖端直径范围在1-5μm。

聚合物瓶子微腔3，套在微光纤2中间部位之上，直径为4-10μm，聚合物瓶子微腔3由树脂溶液固化而成，该树脂溶液的组分包括激光增益物质、高分子有机溶剂、高粘度树脂和固化剂。

激光增益物质为钙钛矿纳米颗粒、量子点、菁类染料、嗪类染料、香豆素类染料中的一种。

泵浦光纤探针4，设置于聚合物瓶子微腔3之上并且与聚合物瓶子微腔3相耦合，泵浦光纤探针4的尖端直径范围在0.6-3μm。

本实施例的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件100的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，用二氧化碳激光器作为热源，高温拉伸法拉制普通单模光纤，制备出微光纤2以及泵浦光纤探针4；

步骤2，将微光纤2的两端放置在第一载波片101和第二载玻片上102，中间段悬空；

步骤3，将激光增益物质溶于高分子有机溶剂并与高粘度树脂和固化剂混合，而后在圆周振荡摇床上振荡均均匀，得到树脂溶液；

步骤4，将泵浦光纤探针4浸入步骤4中配制好的树脂溶液中并快速抽出得到微液滴；

步骤5，在光学显微镜下使泵浦光纤探针4与微光纤2垂直接触并定向移动，将树脂溶液粘附在微光纤2上，让树脂溶液随机缩聚成不同口径的聚合物瓶子微腔3；

步骤6，将在微光纤2上得到的聚合物瓶子微腔3放入高温炉60℃条件下加热1小时，待树脂溶液固化后，便获得单模激光元件。

步骤3中的激光增益物质在树脂溶液中的质量浓度为2.5％，高分子有机溶剂与高粘度树脂的体积比为1:10。

基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件在单模激光的输出中的应用，包括如下步骤：

步骤1，使用泵浦光纤探针4垂直耦合聚合物瓶子微腔3；

步骤2，改变泵浦光纤探针4在聚合物瓶子微腔3表面的位置，使之在实现光激励的同时损耗掉高阶模的荧光，从而抑制高阶模激光的输出，即可在光学微腔中实现单模激光的输出。

实施例一：

单模激光元件的制备方法如下：

步骤1，用二氧化碳激光器作为热源，高温拉伸法拉制普通单模光纤，制备出直径为3.2μm的微光纤2以及尖端口径为1.1μm泵浦光纤探针4；

步骤2，将微光纤2的两端放置在间隔为2000μm的第一载波片101和第二载玻片102上，中间段悬空；

步骤3，将R6G激光染料溶于氯仿并与高粘度环氧树脂和固化剂混合，而后在圆周振荡摇床上振荡均均匀，配得均匀掺杂R6G激光染料的环氧树脂溶液，R6G激光染料在在环氧树脂溶液中的质量浓度为2.5％，氯仿与高粘度环氧树脂的体积比为1:10；

步骤4，将尖端口径为3.0μm的泵浦光纤探针4浸入步骤4中配制好的树脂溶液中并快速抽出得到微液滴；

步骤5，在光学显微镜下使泵浦光纤探针4与微光纤2垂直接触并定向移动，将树脂溶液粘附在微光纤2上，让树脂溶液随机缩聚成不同口径的聚合物瓶子微腔3，聚合物瓶子微腔3的直径可在3-50μm，在本实施例中的聚合物瓶子微腔3的直径在4-10μm内；

步骤6，将在微光纤2上得到的聚合物瓶子微腔3放入高温炉60℃条件下加热1小时，待树脂溶液固化后，便获得单模激光元件。

单模激光元件的应用如下：

步骤1，使用泵浦光纤探针4垂直耦合聚合物瓶子微腔3；

步骤2，改变泵浦光纤探针4在聚合物瓶子微腔3表面的位置，使之在实现光激励的同时损耗掉高阶模的荧光，从而抑制高阶模激光的输出，即可在光学微腔中实现单模激光的输出。

图2(a)是本发明的实施例中聚合物瓶子微腔在100倍物镜下的光学显微镜成像，微腔体直径5.53μm；图2(b)是本发明的实施例中图2(a)在暗场下由光纤探针泵浦得到多模激光的泵浦图；图2(c)是本发明的实施例中图2(a)中光纤探针改变耦合位置的光学显微镜成像图；图2(d)是本发明的实施例中图2(c)的在暗场下由光纤探针泵浦得到单模激光的泵浦图；图3是本发明的实施例中对应图2(b)和图2(d)的激光图谱。

如图2(a)、2(b)、2(c)、2(d)及图3所示，在接近瓶颈处用泵浦光纤探针4耦合聚合物瓶子微腔3可得到多模激光，当泵浦光纤探针4向腔体对称中心移动后进行泵浦，其会损耗高阶模式的荧光，只保留了一个激光模式能量场。

通过调控泵浦光纤探针4的耦合泵浦位置，激光由多模输出变为单模。

另外，将掺杂R6G激光染料制备得到的单模激光元件置于光学显微镜下，将重复频率为5Hz、脉冲宽度为7ns、波长为532nm的激光耦合到单模光纤中，通过泵浦光纤探针4耦合聚合物瓶子微腔3，聚合物瓶子微腔3基于回音壁模式whispering gallery mode(WGM)，产生波长在570～630nm的多模激光，通过调节泵浦光纤探针4的耦合位置，可以实现低阈值的单模激光输出。

实施例的结果：

1.所使用的高分子有机溶剂能溶解激光染料，而且还能与高粘度树脂和固化剂互溶，高分子有机溶剂有机溶剂可为氯仿，丙酮或者乙醚等。

2.采用高粘度环氧树脂配置树脂溶液，但是在温度为25℃时，粘度大于8000mPa·s的高粘度树脂均可采用。但粘度过大的树脂材料(如：高分子量环氧树脂607#(Epikote1007)、609#(Epikote1007)等)由于与微光纤2表面粘力过大，不易或不能靠树脂自身应力收缩形成聚合物瓶子微腔3，故而不能采用。

实施例的作用与效果

本实施例的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，因为所采用的泵浦光纤探针垂直耦合于聚合物瓶子微腔，能够改变泵浦光纤探针在瓶子型光学微腔表面的位置，使之在实现光激励的同事损耗掉高阶模的荧光。所以，本发明的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件能够抑制高阶模激光的输出，可在聚合物瓶子微腔中实现单模激光的输出，并且结构简单紧凑。

本实施例的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，因为光纤探针和谐振腔之间的直径不匹配，且输入功率的一小部分可以耦合到谐振腔中，但是光纤探针和谐振腔之间的耦合将导致在耦合位置处相对较大的散射损耗，利用这种散射损耗来抑制高阶激光模式。当泵浦光纤探针放置在聚合物瓶子微腔中心的侧边上时，高阶模式将遭受非常大的散射损耗，只有本征基模才能被有效激发。所以通过选择合适直径的泵浦光纤探针和调整耦合位置，实现了基于聚合物瓶子微腔的单模激光输出。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，其特征在于，包括：

载玻片，包括并排设置的第一载玻片和第二载玻片；

微光纤，两端分别设于所述第一载玻片和所述第二载玻片上面；

聚合物瓶子微腔，套在所述微光纤中间部位之上；以及

泵浦光纤探针，设置于所述聚合物瓶子微腔之上并且与所述聚合物瓶子微腔相耦合，

其中，所述聚合物瓶子微腔由树脂溶液固化而成，该树脂溶液的组分包括激光增益物质、高分子有机溶剂、高粘度树脂和固化剂。

2.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，其特征在于：

其中，所述微光纤的尖端直径范围在1-5μm。

3.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，其特征在于：

其中，所述聚合物瓶子微腔的直径为4-10μm。

4.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，其特征在于：

其中，所述泵浦光纤探针的尖端直径范围在0.6-3μm。

5.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件，其特征在于：

其中，所述激光增益物质为钙钛矿纳米颗粒、量子点、菁类染料、嗪类染料、香豆素类染料中的一种。

6.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，用二氧化碳激光器作为热源，高温拉伸法拉制普通单模光纤，制备出所述微光纤以及所述泵浦光纤探针；

步骤2，将所述微光纤的两端放置在所述第一载波片和所述第二载玻片上，中间段悬空；

步骤3，将所述激光增益物质溶于高分子有机溶剂并与高粘度树脂和固化剂混合，而后在圆周振荡摇床上振荡均均匀，得到所述树脂溶液；

步骤4，将所述泵浦光纤探针浸入所述步骤4中配制好的所述树脂溶液中并快速抽出得到微液滴；

步骤5，在光学显微镜下使所述泵浦光纤探针与所述微光纤垂直接触并定向移动，将所述树脂溶液粘附在所述微光纤上，让所述树脂溶液随机缩聚成不同口径的所述聚合物瓶子微腔；

步骤6，将在所述微光纤上得到的聚合物瓶子微腔放入高温炉60℃条件下加热1小时，待所述树脂溶液固化后，便获得所述单模激光元件。

7.根据权利要求6所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件的制备方法，其特征在于：

其中，所述步骤3中的所述激光增益物质在所述树脂溶液中的质量浓度为2.5％，所述高分子有机溶剂与所述高粘度树脂的体积比为1:10。

8.根据权利要求1所述的基于微光纤探针损耗调制的聚合物瓶子微腔单模激光元件在单模激光的输出中的应用，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，使用所述泵浦光纤探针垂直耦合所述聚合物瓶子微腔；

步骤2，改变所述泵浦光纤探针在所述聚合物瓶子微腔表面的位置，使之在实现光激励的同时损耗掉高阶模的荧光，从而抑制高阶模激光的输出，即可在光学微腔中实现所述单模激光的输出。