CN108390251A - 一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法，属于激光器领域，包括锥形光纤，钬镱微球和泵浦光源；锥形光纤的中部具有锥区；钬镱微球含有钬离子与镱离子；钬镱微球在锥区与锥形光纤耦合；泵浦光源为980nm激光，泵浦光源固定在锥形光纤一端。本发明采用含有钬离子和镱离子的微球，提高了光效率，提高了品质因数，降低了阈值，整体减小了激光器的体积，扩大了应用范围，有利于设备的微型化。

Description

一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法

技术领域

本发明属于激光器领域，尤其涉及一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法。

背景技术

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。其理论基础是1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念。该理论指出，当外来辐射光子的能量刚好等于处于激发态的发光原子的激发态与低能态或基态间的能量时，处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时所辐射的光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态与外来辐射光子完全相同。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，而激光正式一种受激辐射相干光。此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，对微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也有了更加深入的理解，爱因斯坦的受激辐射理论得到了进一步的发展和完善。20世纪40年代末，现代量子电子学诞生后，被很快应用于研究物质内部量子系统的受激发射来放大或产生相干电磁波，许多相应的器件应运而生。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。红宝石激光器由3能级系统构成，产生的是暗红色的694.3nm光。由于它的结构极其简单，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，在军事上也有广泛的应用。但是红宝石激光器的效率很低，只有0.1％。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖作为工作物质的气体激光器。以连续激励方式输出连续激光。在可见光和近红外区主要有0.6328μm、3.39μm和1.15μm三条谱线，其中0.6328μm的红光最常用。氦氖激光器工作性质稳定、使用寿命比较长，因而在流速和流量测量方面，在精密计量方面得到了广泛的开发和利用。但氦氖激光器也存在一些缺点，氦氖激光器的效率较低，功率也较低，一般为几毫瓦到几百毫瓦。1962年R.N.霍耳等人制成了砷化镓半导体激光器。半导体激光器电光转化效率高、使用寿命长且可靠性较高，广泛应用于泵浦固体激光器、激光打印、材料加工和通信等领域。但是半导体激光器的激光性能受温度影响大，光束的发散角较大，所以在方向性、单色性和相干性等方面并不理想。以后，不同类型的工作物质和各种波段的激光器相继被研制出来。

随着微细加工工艺的发展，人们已经可以比较容易的制作尺度接近光波波长的微型器件，回音壁模式也得以在光波领域实现快速发展。回音壁模式是指在介质微腔中光场由于表面的全反射在满足一定的条件下在腔中形成的稳定传播模式。光在从光密介质向光疏介质传播且入射角度大于临界角时，能够在这两种介质的分界面产生全反射，当光在微腔中传播时不断地沿着腔的表面全反射便形成了光学回音壁模式。回音壁式光学微腔包括微盘、微环、液滴、微柱及微球等。回音壁模式光学微腔通过共振循环将光困于极小的空间中，光学微腔内部的能量密度大，模式体积小，制备容易，可重复性强。而且光学微腔尺寸微小，便于集成。由于以上特点，基于光学微腔器件的应用和研究成为热点。光学微腔中，微球具有极高的品质因数可达1010和极小的模式体积100μm3量级，与微环、微柱和微盘等相比，微球谐振腔的能量存储特性更好，所以用微球作为谐振腔的激光器具有极低的阈值和很高的光效率。另外，球形的谐振腔对入射光的角度要求不高，而微柱、微盘等微腔对入射光的角度有很高的要求。微球激光器的这些优点使其成为一种很有应用前景的激光器。

申请号为201510295509.8的专利可调谐液体微球激光器，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。但是该激光器结构复杂，稳定性低，不利于设备微型化。

发明内容

本发明的目的在于公开阈值低，品质因数高的一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法，包括锥形光纤1，钬镱微球3和泵浦光源4；锥形光纤1的中部具有锥区2；钬镱微球3含有钬离子与镱离子；钬镱微球3在锥区2与锥形光纤1耦合；泵浦光源4为980nm激光，泵浦光源4固定在锥形光纤1一端。

一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法，包含如下步骤：

步骤(1)：通过溶胶凝胶法制备含有钬离子和镱离子的溶液；

步骤(2)：制备掺有钬离子和镱离子的钬镱微球：

将通信光纤去掉涂覆层，得到裸纤，将裸纤末端浸入含有钬离子和镱离子的溶液，使含有钬离子和镱离子的溶液粘附在裸纤上，用二氧化碳激光器加热熔融裸纤末端；重力和表面张力使裸纤末端形成一个微球；将微球再次浸入含有钬离子和镱离子的溶液，并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球，使附在微球表面的含有钬离子和镱离子的溶液中的有机物在高温下挥发，使含有钬离子和镱离子的溶液中的钬离子和镱离子掺在微球中，得到钬镱微球；

步骤(3)：制备锥形光纤，并将锥形光纤固定在U型金属架上：

取一段通信光纤，将通信光纤的中间部分去掉涂覆层并擦拭干净，得到半裸光纤；将半裸光纤两端固定在步进电机上；移动U型陶瓷加热器，使半裸光纤处于U型陶瓷加热器的U型槽中；通过计算机程序控制步进电机拉伸制备出锥形光纤；锥形光纤拉制好后，将U型陶瓷加热器移开，将U型金属架固定在锥形光纤下端，通过三维平台缓慢抬升U型金属架使锥形光纤正好接触U型金属架的两端；将紫外胶滴在U型金属架与锥形光纤接触的位置，并用紫外灯照射数十秒，使锥形光纤固定在U型金属架上；

步骤(4)：将钬镱微球的光纤杆插入金属棒内，金属棒的中间有缝隙，将金属棒插入可以360°旋转的旋转轴上并固定好；将旋转轴固定在三维平台上；调节三维平台使钬镱微球与锥形光纤耦合；

步骤(5)：一种钬镱共掺微球腔激光器制备完成。

本发明的有益效果为：

本发明采用含有钬离子和镱离子的微球，提高了光效率，提高了品质因数，降低了阈值，整体减小了激光器的体积，扩大了应用范围，有利于设备的微型化。

附图说明

图1是一种钬镱共掺微球腔激光器结构原理示意图。

图2是U型金属架结构示意图。

图3是一种钬镱共掺微球腔激光器单模激光特性图。

图4是一种钬镱共掺微球腔激光器多模激光特性图。

具体实施方式

下面结合附图来进一步描述本发明：

一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法，如图1，包括锥形光纤1，钬镱微球3和泵浦光源4；锥形光纤1的中部具有锥区2；钬镱微球3含有钬离子与镱离子；钬镱微球3在锥区2与锥形光纤1耦合；泵浦光源4为980nm激光，泵浦光源4固定在锥形光纤1一端。

一种钬镱共掺微球腔激光器及制备方法，包含如下步骤：

步骤(1)：通过溶胶凝胶法制备含有钬离子和镱离子的溶液；

步骤(2)：制备掺有钬离子和镱离子的钬镱微球：

将通信光纤去掉涂覆层，得到裸纤，将裸纤末端浸入含有钬离子和镱离子的溶液，使含有钬离子和镱离子的溶液粘附在裸纤上，用二氧化碳激光器加热熔融裸纤末端；重力和表面张力使裸纤末端形成一个微球；将微球再次浸入含有钬离子和镱离子的溶液，并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球，使附在微球表面的含有钬离子和镱离子的溶液中的有机物在高温下挥发，使含有钬离子和镱离子的溶液中的钬离子和镱离子掺在微球中，得到钬镱微球；改变熔融裸纤末端的长度制备出直径20μm-500μm的不同大小的掺杂微球。微球带有光纤柄，但这并不影响与锥形光纤的耦合效果，因为光集中在微球赤道的大圆上，基本不经过光纤柄。此外，光纤柄可以更好地固定微球。

步骤(3)：制备锥形光纤，并将锥形光纤固定在U型金属架上：

取一段通信光纤，将通信光纤的中间部分去掉涂覆层并擦拭干净，得到半裸光纤；将半裸光纤两端固定在步进电机上；移动U型陶瓷加热器，使半裸光纤处于U型陶瓷加热器的U型槽中；通过计算机程序控制步进电机拉伸制备出锥形光纤；锥形光纤拉制好后，将U型陶瓷加热器移开，将U型金属架固定在锥形光纤下端，通过三维平台缓慢抬升U型金属架使锥形光纤正好接触U型金属架的两端；将紫外胶滴在U型金属架与锥形光纤接触的位置，并用紫外灯照射数十秒，使锥形光纤固定在U型金属架上；U型金属架的结构如图2；

步骤(4)：将钬镱微球的光纤柄插入金属棒内，金属棒的中间有缝隙，将金属棒插入可以360°旋转的旋转轴上并固定好；将旋转轴固定在三维平台上；调节三维平台使钬镱微球与锥形光纤耦合；

步骤(5)：一种钬镱共掺微球腔激光器制备完成。

本发明中钬离子等能级分布使其非常适合作为产生2μm激光的增益物质。但是钬离子不能直接吸收已经商用的808nm激光或980nm激光。这大大增加了制造以钬离子为工作物质的激光器的成本和难度。镱离子具有简单的双能级结构，非常适合作敏化剂离子。镱离子作为敏化剂离子吸收980nm激光的能量并将其传递给钬离子，钬离子吸收能量而被激发进而产生2μm激光。本发明利用980nm激光作为泵浦光源，980nm激光从锥形光纤一端输入并在锥区形成很强的倏逝波。倏逝波是非传播波，其随着传播距离的增加，强度以指数形式衰减，所以传统的空间光照射微球，光波穿过微球腔大部分没有耦合到回音壁模式中，光的耦合效率很低。目前最为高效的耦合方法是近场耦合法，该方法通过其他耦合器件产生倏逝波耦合，包括棱镜耦合法、倾角光纤耦合法、光波导耦合法、侧抛光纤耦合法及锥形光纤耦合法。其中锥形光纤耦合法耦合效率高且制备简单，用具有双锥结构的微米光纤进行耦合能够很好地将泵浦激光引入，将玻璃微球靠近锥形光纤锥腰时，利用倏逝场将泵浦光耦合进入微球。同时，微球中经过回音壁模式谐振出射的激光也能通过倏逝场耦合进微米锥形光纤，实现激光的收集、传输和使用。所以本发明使用锥形光纤耦合钬镱微球。在本发明中，980nm的倏逝波在锥区被耦合进入作为谐振腔的微球并激发镱离子，镱离子作为敏化剂离子吸收980nm激光的能量并将其传递给钬离子产生2μm激光。所产生的激光从锥形光纤的另一端输出。

下面给出实施例1：

通过溶胶凝胶法配制了钬离子摩尔浓度为0.2mol％，镱离子摩尔浓度为1.0mol％的溶液。将通讯光纤一端利用光纤剥线钳剥去涂覆层并浸入溶液中使溶液粘附在光纤上。利用二氧化碳激光器加热熔融该光纤末端形成微球。将微球再次浸入溶液中使溶液粘附在微球上并用二氧化碳激光器加热熔融该微球。通过改变熔融光纤末端的长度制备出直径20μm-500μm的不同大小的微球。本例中重复上述操作3次，制备出直径160μm的微球。通过这种方法制备出的微球有一个光纤杆，将光纤杆插入中间有缝隙的金属棒内，再将金属棒插入可以360°旋转的旋转轴上并固定好。将旋转轴固定在三维平台上。取一段通信光纤，利用光纤剥线钳将其中间部分去掉涂覆层并固定在进步电机上。移动U型陶瓷加热器，使去掉涂覆层的光纤处于陶瓷加热器U型槽中，这里需要注意不能让光纤碰触到陶瓷加热器。通过计算机程序控制进步电机拉伸制备出锥区直径为2μm的锥形光纤。当光纤拉制好后将陶瓷加热器移开，将特制的U型金属架固定在锥形光纤下端，通过三维平台缓慢抬升U型架使锥形光纤正好接触到U型架的两端。将紫外胶滴在U型架与锥形光纤接触的位置并用紫外灯照射20s，此时锥形光纤便被固定在U型架上了。在显微镜观测下，通过调节三维平台使微球的赤道正好处于锥形光纤的锥腰处耦合。将980nm激光器尾段光线和锥形光纤尾端用光纤剥线钳去掉涂覆层并用酒精擦拭干净。用光纤切割刀将两个端面切平并用光纤焊接机焊接。将锥形光纤的另一端同样用光纤剥线钳去掉涂覆层并用酒精擦拭干净，用光纤切割刀将其切平。将切好的锥形光纤末端插入裸纤适配器中并接入光谱仪中。980nm激光作为泵浦光源从锥形光纤一端输入并在锥形光纤的另一端输出产生的2μm激光。通过光谱仪可以观测到所产生的激光。通过调节固定微球的旋转轴和三维平台调节耦合可以得到单模激光和多模激光，单模激光特性如图3所示，多模激光如图4所示。

本发明采用含有钬离子和镱离子的微球，提高了光效率，提高了品质因数，降低了阈值，整体减小了激光器的体积，扩大了应用范围，有利于设备的微型化。

以上所述并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种钬镱共掺微球腔激光器，其特征在于：包括锥形光纤(1)，钬镱微球(3)和泵浦光源(4)；锥形光纤(1)的中部具有锥区(2)；钬镱微球(3)含有钬离子与镱离子；钬镱微球(3)在锥区(2)与锥形光纤(1)耦合；泵浦光源(4)为980nm激光，泵浦光源(4)固定在锥形光纤(1)一端。

2.一种钬镱共掺微球腔激光器制备方法，其特征在于：包含如下步骤：

步骤(1)：通过溶胶凝胶法制备含有钬离子和镱离子的溶液；

步骤(2)：制备掺有钬离子和镱离子的钬镱微球：

将通信光纤去掉涂覆层，得到裸纤，将裸纤末端浸入含有钬离子和镱离子的溶液，使含有钬离子和镱离子的溶液粘附在裸纤上，用二氧化碳激光器加热熔融裸纤末端；重力和表面张力使裸纤末端形成一个微球；将微球再次浸入含有钬离子和镱离子的溶液，并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球，使附在微球表面的含有钬离子和镱离子的溶液中的有机物在高温下挥发，使含有钬离子和镱离子的溶液中的钬离子和镱离子掺在微球中，得到钬镱微球；钬镱微球具有光纤柄；

步骤(3)：制备锥形光纤，并将锥形光纤固定在U型金属架上：

取一段通信光纤，将通信光纤的中间部分去掉涂覆层并擦拭干净，得到半裸光纤；将半裸光纤两端固定在步进电机上；移动U型陶瓷加热器，使半裸光纤处于U型陶瓷加热器的U型槽中；通过计算机程序控制步进电机拉伸制备出锥形光纤；锥形光纤拉制好后，将U型陶瓷加热器移开，将U型金属架固定在锥形光纤下端，通过三维平台缓慢抬升U型金属架使锥形光纤正好接触U型金属架的两端；将紫外胶滴在U型金属架与锥形光纤接触的位置，并用紫外灯照射数十秒，使锥形光纤固定在U型金属架上；

步骤(4)：将钬镱微球的光纤柄插入金属棒内，金属棒的中间有缝隙，将金属棒插入可以360°旋转的旋转轴上并固定好；将旋转轴固定在三维平台上；调节三维平台使钬镱微球与锥形光纤耦合；

步骤(5)：一种钬镱共掺微球腔激光器制备完成。