CN109873289A - 一种输出可在激光和随机激光之间切换的光纤光源 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种输出可在激光和随机激光之间灵活切换的光纤光源，其具有小型化、制备方法简单、低成本、稳定性好、有很好的定向性等优势。该光纤光源包括泵浦光源、DCJTB和PM567增益介质、二氧化钛(TiO2)纳米散射颗粒掺杂的聚二甲硅氧烷(PDMS)和光纤。所述的TiO2纳米散射颗粒和DCJTB或PM567的丙酮稀释液分散在PDMS中并混合均匀，然后将混合物涂覆在一段光纤表面。通过改变泵浦光束的位置交替照射无增益材料覆盖的光纤和增益材料覆盖的光纤，就可以实现激光和随机激光之间的灵活切换，从而满足不同领域对激光光源相干性的不同需求。
Description
技术领域
本发明涉及光纤激光器领域，具体是设计一种输出可以在传统激光和随机激光之间灵活切换的光纤光源，该光纤光源不仅可以为干涉实验提供高度相干的光源，也可以作为高亮成像领域的具有相干噪声抑制作用的优质照明光源。
背景技术
传统激光器具有很高的光子简并度，已经很好地应用在工业、医疗、商业、科研、信息和军事等领域，是现代光学系统不可或缺的高亮度光源。但激光的高相干性会因成像过程中的衍射和干涉效应导致明显的相干噪声，严重影响激光照明系统的成像质量。
不同于传统的激光器，随机激光器利用光的多重散射来实现光的受激辐射放大。近年来，随机激光已经成为国际激光领域的热门研究方向。由于其不需外加谐振腔，具有体积小、成本低、制作简单、形状设计灵活等优势，在显示、照明、传感、医疗和光电探测等领域有很好的应用前景，尤其是它较低的空间相干性使得其在无散斑成像领域有很好的应用前景。然而，随机激光辐射方向的随机性阻碍了它的发展前景。为了解决这个难题，目前研究者已经提出使用光纤与随机激光器的结合来控制随机激光的辐射方向。
因此，无论是传统的激光器还是随机激光器，它们都有各自的优点。在不同的应用场景，我们可能需要不同类型的激光。因此，设计出能够在传统激光和随机激光之间灵活切换输出的激光光源具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是基于上述考虑，提出了一种输出可在激光和随机激光之间灵活切换的光纤光源，其具有小型化、制备方法简单、低成本、稳定性好、有很好的定向性等优势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
通过将掺杂纳米散射颗粒的聚合物溶液涂覆在光纤表面，制作了一种输出可在激光和随机激光之间切换的光纤光源。该光纤光源包括泵浦光源、增益介质、纳米散射颗粒、固体溶剂和光纤。将增益染料稀释液和纳米散射颗粒分散在固体溶剂中混合均匀，然后将混合溶液涂覆在部分光纤表面。利用脉冲激光泵浦不同的光纤位置，灵活地切换激光和随机激光输出。同时，将不同的聚合物染料混合溶液涂覆在光纤表面，可以实现不同波长范围的随机激光的输出。
所述的泵浦光源为脉冲激光器532nm(脉冲重复频率是10Hz，脉宽是8ns)。
所述的增益介质为DCJTB、PM567染料。
所述的纳米散射颗粒为二氧化钛(TiO2)纳米颗粒，其直径约为50nm，折射率是2.6。
所述的固体溶剂为聚二甲硅氧烷(PDMS)，PDMS是一种弹性的高分子有机硅聚合物，由于具有稳定、加工简单、光学透明的特性，已经被广泛用于随机激光器的制作。按照10:1的质量比加入其固化剂后，在80℃烘箱中烘1-3小时，能够完成交联聚合，固化后的PDMS具有良好的柔性和高透光率的特点。PDMS溶液的折射率为1.41。
所述的光纤为多模光纤，纤芯直径为50微米，包层直径为125微米；纤芯折射率为1.54，包层的折射率为1.52，光纤的长度约为60毫米。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
(1)能够灵活地切换传统激光和随机激光的输出，该光源同时具备两者的优势，满足更广泛的应用需求；
(2)能够输出低阈值的随机激光；
(3)其输出随机激光的波长范围是可调控的；
(4)具有光纤光源的优势，如定向性、灵活性、易于集成等；
(5)有很好的稳定性和可重复性。
通过结合下面附图的详细说明，将会使本发明的上述目的、内容和优点变得更加清楚。
附图说明
图1是本发明设备结构示意图；
图2是本发明光纤光源的实现过程图；
图3是本发明在不同浓度的增益介质下的输出表征；
图4是本发明在不用类别的纳米散射颗粒的输出表征；
图5是本发明在不同浓度的纳米散射颗粒下的输出表征；
图6是本发明实现输出在激光和随机激光之间切换的示意图；
图7是本发明光纤光源的辐射方向性表征；
图8是本发明输出不同颜色随机激光的光纤光源；
附图标记说明：
图中，1.1是泵浦光源，1.2和1.3是反射镜，1.4是光纤，1.5是PDMS固体溶剂，1.6是TiO2纳米散射颗粒，1.7是DCJTB染料，2.1是PM567染料，6.1是泵浦光源，6.2是光纤光谱仪，7.1是出射光。
具体实施方式
本发明的输出可在激光和随机激光之间切换的光纤光源各个组成部件在图1示出，其中，增益介质膜覆盖的光纤部分用于辐射并传输随机激光，该结构包括泵浦光源、增益介质、纳米散射颗粒、PDMS固体溶剂；未涂覆增益介质膜的光纤部分用于将传统激光耦合进光纤并进行传输。
一、本发明光纤光源的实现过程图(参见图2)
(1)将1.5mg DCJTB染料稀释在1mL丙酮溶液中，配置成1.5mg/mL的DCJTB溶液；同理，将1.25mgPM567染料稀释在1mL丙酮溶液中，配置成1.25mg/mL的PM567溶液；
(2)分别将0.9mg TiO2纳米散射颗粒分散在步骤(1)中的两个混合溶液中，得到0.9mg/mL的TiO2分散液；
(3)取1g液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)，将它和其固化剂按照10:1的质量比混合，用超声振荡的方法混合均匀；
(4)将DCJTB和TiO2混合液以及PM567和TiO2的混合液分别和PDMS混合液以1:5的体积比在超声槽中超声混合20分钟，然后在真空箱中抽真空50分钟，以去除混合液体中的空气和丙酮，得到DCJTB掺杂的混合物和PM567掺杂的混合物；
(5)将DCJTB掺杂的混合物或者PM567掺杂的混合物滴加到光纤中部，并将光纤竖直放置以便染料掺杂的混合物自然流动；
(6)将样品置于80℃的烘箱中烘3小时，以完成交联聚合和干燥过程，待冷却至室温后，激光和随机激光输出可切换的光纤光源样品制作完成。
二、本发明实现的具有不同增益材料浓度的光纤光源的随机激光输出(参见图3)
按照本发明光纤光源的实现过程图2所述，仅调控增益介质膜中增益材料DCJTB的浓度，制得激光和随机激光可切换的光纤光源样品，并用波长为532nm的脉冲激光器光学泵浦增益介质膜，可获得红色随机激光输出，图3示出了DCJTB增益染料的浓度分别为0.2、1.5、3.0mg/mL(自下而上)时随机激光的输出光谱。
三、本发明实现的具有不同散射材料的光纤光源的随机激光输出(参见图4)
按照本发明光纤光源的实现过程图2所述，保持增益材料DCJTB的浓度为1.5mg/mL不变，调控增益介质膜中散射颗粒的类型，利用SiO2纳米颗粒、银纳米颗粒、TiO2纳米颗粒分别制得激光和随机激光可切换的光纤光源样品，并用波长为532nm的脉冲激光器光学泵浦增益介质膜，可获得随机激光输出，图4示出了纳米散射颗粒分别为SiO2纳米颗粒(0.9mg/mL)、银纳米颗粒(0.5mg/mL)、TiO2纳米颗粒(0.9mg/mL)(自下而上)时随机激光的输出光谱。
四、本发明实现的具有不同散射颗粒浓度的光纤光源的随机激光输出(参见图5)
按照本发明光纤光源的实现过程图2所述，保持增益材料DCJTB的浓度为1.5mg/mL不变，调控增益介质膜中TiO2纳米颗粒浓度，分别制得激光和随机激光可切换的光纤光源样品，并用波长为532nm的脉冲激光器光学泵浦增益介质膜，可获得随机激光输出，图5示出了TiO2纳米散射颗粒的浓度分别为0.1、0.9、1.7mg/mL(自下而上)时随机激光的输出光谱。
五、本发明实现输出在激光和随机激光之间切换的示意图(参见图6)
选择波长为532nm的脉冲激光器进行光学泵浦，如图6所示。使用光纤光谱仪(Ocean Optics modelMaya Pro 2000，分辨率为0.4nm)测量光致发光光谱，通过移动样品来改变泵浦光泵浦在样品上的位置。当泵浦光泵浦在未涂覆增益介质的光纤表面上时，光纤端口出射532nm的激光；当泵浦光泵浦在聚合物DCJTB薄膜上时，光纤端口辐射出相干的红色随机激光，此时532nm泵浦源已被聚合物完全吸收，在光谱图中仅有随机激光产生。通过这种方式，本发明就实现了输出可在激光和随机激光之间灵活切换的光纤光源。
六、本发明光纤光源的辐射方向性表征(参见图7)
图7示出了强度测量的示意图，泵浦光束泵浦在聚合物薄膜的表面，强度探测器和光纤轴之间的角度是α。探测器检测随机激光强度，将其围绕光纤样品旋转，距离泵浦样品的位置约25mm。在泵浦光功率密度为0.9947MW cm-2时，从辐射随机激光的强度与α之间的关系可以看出，随机激光器的最大辐射强度集中在沿光纤轴的小角度范围内，这证明本发明具有良好的定向性。
七、本发明输出不同颜色随机激光的光纤光源(参见图8)
通过移动样品使泵浦光束泵浦在不同的聚合物(PM567/DCJTB)薄膜上，就可分别实现黄色和红色随机激光输出，如图8所示。因此，本发明提供了一种输出波长范围可调控的随机激光器，只要在PDMS溶液掺杂合适的增益染料，就可以控制输出所需要波长范围的随机激光，其在无散斑成像领域有很好的应用前景。
Claims (15)
1.一种输出可在激光和随机激光之间切换的光纤光源，其特征在于：该光纤光源包括泵浦光源、纳米散射介质、增益介质、固体溶剂、光纤；其中所述的纳米散射介质和增益介质分散在固体溶剂中，通过超声混合及在真空箱中抽真空以得到混合物，然后将所述混合物涂覆在光纤表面上，在烘箱中完成所述混合物的交联聚合和干燥过程，待冷却后，激光和随机激光输出可切换的光纤光源样品制作完成。
2.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的泵浦光源为脉冲激光器，所述脉冲激光器的激发波长和所述增益介质的吸收带相匹配，所述脉冲激光器的脉宽为纳秒量级。
3.根据权利要求2所述的光纤光源，其特征在于：所述的脉冲激光器是波长为532nm的脉冲激光，其脉冲重复频率是10Hz，脉宽是8ns。
4.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的纳米散射介质可以是TiO2、SiO2、金或银纳米颗粒、银纳米线、金-银纳米线。
5.根据权利要求4所述的光纤光源，其特征在于：所述的光纤光源采用的纳米散射介质是TiO2；纳米颗粒直径可以为20-100nm，折射率为2.6。
6.根据权利要求5所述的光纤光源，其特征在于：所述的TiO2纳米散射颗粒的直径为50nm，所述的TiO2分散液浓度范围为0.1-1.7mg/mL。
7.根据权利要求6所述的光纤光源，其特征在于：所述的光纤光源采用的TiO2分散液浓度为0.9mg/mL。
8.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的增益介质为DCJTB和PM567。所述的DCJTB丙酮溶液的浓度范围可以为0.2-3.0mg/mL；所述的PM567丙酮溶液的浓度范围可以为0.3-2.7mg/mL。
9.根据权利要求8所述的光纤光源，其特征在于：所述的光纤光源采用的DCJTB丙酮溶液的浓度是1.5mg/mL；PM567丙酮溶液的浓度是1.25mg/mL。
10.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的固体溶剂包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)和其固化剂；所述PDMS的折射率为1.39-1.41。
11.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的光纤可以为商用的多模光纤或单模光纤，所述的光纤长度范围可以为20-200毫米。
12.根据权利要求11所述的光纤光源，其特征在于：所述的光纤为多模光纤，纤芯直径为50微米，包层直径为125微米；纤芯折射率为1.54，包层的折射率为1.52；所述的光纤光源采用的光纤长度是60毫米。
13.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述的溶液在超声槽中超声混合的时间为15-30分钟；在真空箱中抽真空的时间为40-70分钟。
14.根据权利要求1所述的光纤光源，其特征在于：所述烘箱的温度为70-90℃，烘干样品的时间为1-3小时。
15.一种用于实现根据权利要求1所述光纤光源的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(1)将1.5mg DCJTB染料稀释在1mL丙酮溶液中，配置成1.5mg/mL的DCJTB溶液；同理，将1.25mg PM567染料稀释在1mL丙酮溶液中，配置成1.25mg/mL的PM567溶液；
(2)分别将0.9mg TiO2纳米散射颗粒分散在步骤(1)中的两个混合溶液中，得到0.9mg/mL的TiO2分散液；
(3)取1g液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)，将它和其固化剂按照10:1的质量比混合，用超声振荡的方法混合均匀；
(4)将DCJTB和TiO2混合液以及PM567和TiO2的混合液分别和PDMS混合液以1:5的体积比在超声槽中超声混合20分钟，然后在真空箱中抽真空50分钟，以去除混合液体中的空气和丙酮，得到DCJTB掺杂的混合物和PM567掺杂的混合物；
(5)将DCJTB掺杂的混合物或者PM567掺杂的混合物滴加到光纤中部，并将光纤竖直放置以便染料掺杂的混合物自然流动；
(6)将样品置于80℃的烘箱中烘3小时，以完成交联聚合和干燥过程，待冷却至室温后，激光和随机激光输出可切换的光纤光源样品制作完成；
(7)用脉宽为8ns的532nm脉冲激光泵浦步骤(6)制作的样品实现输出可在激光和随机激光之间灵活切换的光源；当泵浦增益介质薄膜覆盖的光纤部分时获得相应波段的随机激光输出；当脉冲激光照射无增益介质薄膜覆盖的光纤时，获得高度相干的激光。
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