CN108429126A - 一种掺铥微球腔激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掺铥微球腔激光器及其制备方法，属于微光学器件技术领域。由掺有铥离子的微球耦合锥形光纤组成；泵浦光源为808nm激光，用锥形光纤耦合掺铥微球；从锥形光纤的另一端输出2μm激光。利用溶胶凝胶法制备含有铥离子的溶液，再用二氧化碳激光器加热沾有溶液的通信光纤末端制备出掺有铥离子的二氧化硅微球。利用陶瓷加热器通过加热拉伸的方法获得锥区直径为1μm‑5μm锥形光纤。通过三维平台控制微球与锥形光纤耦合便得到了一种以808nm激光作为泵浦、微球作为谐振腔、铥离子作为工作物质的可以稳定输出2μm波段激光的微球激光器。本发明用已经商用的808nm激光器作为泵浦光源极大地提高了该发明的实用价值，还具有制作简单、低阈值、微型化、输出稳定的特点。

Description

一种掺铥微球腔激光器及其制备方法

技术领域

本发明属于微光学器件技术领域，具体涉及一种掺铥微球腔激光器及其制备方法。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供具有极低阈值的，能够稳定输出2μm波段激光的一种掺铥微球腔激光器及其制备方法。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种掺铥微球腔激光器，由掺有铥离子的微球耦合锥形光纤组成。目前，用于产生2μm波段激光的稀土离子主要有钬离子和铥离子。相比于钬离子,铥离子具有其特有的优势，铥离子的³H₄能级吸收峰位于790nm附近，可以直接使用成熟的商用大功率半导体激光器作为泵浦源。在较高的掺杂浓度下，铥离子之间存在强烈的交叉弛豫过程(³H₆,³H₄-³F₄,³F₄)，使得掺铥微球激光器的效率可以达到很高。在本发明中铥离子吸收能量而被激发进而产生2μm激光。本发明利用808nm激光作为泵浦光源，808nm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掺铥微球。在本发明中，808nm的倏逝波在锥区被耦合进入作为谐振腔的微球，铥离子吸收能量而被激发进而产生2μm激光并从锥形光纤的另一端输出。

一种掺铥微球腔激光器及其制备方法，包括以下步骤：

(1)通过溶胶凝胶法制备含有铥离子的溶液。

(2)将去掉涂覆层的通信光纤末端浸入含有铥离子的溶液使溶液粘附在光纤上，再用二氧化碳激光器加热熔融光纤末端。在重力和表面张力的共同作用下，光纤末端形成一个非常光滑且球形度非常好的微球。将微球再次浸入含有铥离子的溶液并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球。微球在高温下熔化，附在微球表面的溶液中的有机物在高温下挥发，而掺杂在溶液中的铥离子留在了微球中。该方法可以通过改变熔融光纤末端的长度制备出直径20μm-500μm的不同大小的掺铥微球。该方法制备出的微球带有光纤柄，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。

(3)利用陶瓷加热器通过加热拉伸的方法获得锥形光纤。通过改变拉伸长度可以制备出锥区直径为1μm-5μm的锥形光纤用于适配不同大小的微球以达到最佳耦合状态。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擦拭干净。将光纤两端固定在进步电机上。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。通过计算机程序控制进步电机拉伸制备出锥区直径为1μm-5μm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数十秒使锥形光纤固定在U型架上。

(4)将微球的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。通过调节三维平台控制微球与锥形光纤耦合，即形成了掺铥微球激光器。

本发明的有益效果在于：

该激光器具有低阈值和高品质因数，并且具有制作简便，微型化的优点。所产生的2μm激光输出稳定，在大气监测、激光雷达、激光医疗和光谱学等领域有着广泛的应用。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为该激光器输出的单模激光特性图；

图3为该激光器输出的多模激光特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

一种掺铥微球腔激光器，由掺有铥离子的微球耦合锥形光纤组成；泵浦光源为808nm激光，用锥形光纤耦合掺铥微球；从锥形光纤的另一端输出2μm激光。

一种掺铥微球腔激光器制备方法，包括以下步骤：

(1)通过溶胶凝胶法制备含有铥离子的溶液；

(2)将去掉涂覆层的通信光纤末端浸入含有铥离子的溶液使溶液粘附在光纤上，再用二氧化碳激光器加热熔融光纤末端；光纤末端形成一个非常光滑且球形度非常好的微球，将微球再次浸入含有铥离子的溶液并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球；

(3)利用陶瓷加热器通过加热拉伸的方法获得锥形光纤；

(4)将微球的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，通过调节三维平台控制微球与锥形光纤耦合，即形成了掺铥微球激光器。

所述的步骤(3)具体包括：

(3.1)改变拉伸长度制备出锥区直径为1μm-5μm的锥形光纤适配不同大小的微球；

(3.2)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擦拭干净，将光纤两端固定在进步电机上；

(3.3)将去掉涂覆层的光纤放置在陶瓷加热器U型槽中，通过计算机程序控制进步电机拉伸制备出锥区直径为1μm-5μm的锥形光纤，当光纤拉制好后将陶瓷加热器移开；

(3.4)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数十秒使锥形光纤固定在U型架上。

如图1所示，本发明由掺有铥离子的微球1耦合锥形光纤2组成。808nm激光器5作为泵浦光源从锥形光纤的一端3输入并在锥区形成很强的倏逝波。倏逝波在锥区被耦合进入作为谐振腔的微球并激发铥离子产生2μm激光。所产生的激光从锥形光纤的另一端4输出并利用光谱仪6进行观测。7为特制的U型金属架。

通过溶胶凝胶法配制了铥离子摩尔浓度为1.5mol％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157μm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808nm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。808nm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和多模激光，分别如图2和图3所示。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，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 (3)

1.一种掺铥微球腔激光器，其特征在于，由掺有铥离子的微球耦合锥形光纤组成；泵浦光源为808nm激光，用锥形光纤耦合掺铥微球；从锥形光纤的另一端输出2μm激光。

2.一种掺铥微球腔激光器制备方法，包括以下步骤：

(1)通过溶胶凝胶法制备含有铥离子的溶液；

(2)将去掉涂覆层的通信光纤末端浸入含有铥离子的溶液使溶液粘附在光纤上，再用二氧化碳激光器加热熔融光纤末端；光纤末端形成一个非常光滑且球形度非常好的微球，将微球再次浸入含有铥离子的溶液并继续用二氧化碳激光器加热熔融微球；

(3)利用陶瓷加热器通过加热拉伸的方法获得锥形光纤；

(4)将微球的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，通过调节三维平台控制微球与锥形光纤耦合，即形成了掺铥微球激光器。

3.根据权利要求2所述的一种掺铥微球腔激光器制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)具体包括：

(3.1)改变拉伸长度制备出锥区直径为1μm-5μm的锥形光纤适配不同大小的微球；

(3.2)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擦拭干净，将光纤两端固定在进步电机上；

(3.3)将去掉涂覆层的光纤放置在陶瓷加热器U型槽中，通过计算机程序控制进步电机拉伸制备出锥区直径为1μm-5μm的锥形光纤，当光纤拉制好后将陶瓷加热器移开；

(3.4)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数十秒使锥形光纤固定在U型架上。