CN110932084A - 一种基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法 - Google Patents

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张婷婷
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Abstract

本发明属于光学器件领域，具体涉及小尺寸，高精度，调谐范围大且调谐速度快的一种基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法。本装置包括脉冲激光器1、连续波激光器2、电荷耦合器件CCD6、光谱分析仪7和液体填充空心玻璃微球谐振腔9。本发明的有益效果：1.与其它结构谐振腔相比,液体填充空心玻璃微球谐振腔具有尺寸小、制备简单、结构稳定、操作灵活的优点；2.所采用的全光调谐技术的非接触和灵活的特性能够避免对微腔几何结构的损坏，降低制造复杂度并且能够改进可调谐波长范围；3.由于光热纳米材料NaNdF4的产热对掺杂浓度的依赖性，微激光器在一定功率强度范围(0‑1.68W/mm2)内的波长调谐范围和调谐灵敏度可以通过增加NaNdF4的掺杂浓度得到进一步改善。

Description

一种基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法
技术领域
本发明属于光学器件领域，具体涉及小尺寸，高精度，调谐范围大且调谐速度快的一种基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法。
背景技术
可调谐回音壁模式微激光器因其操作简便，成本低，易集成的优点，在光子学和光电子学领域一直有着广泛的应用。目前，已经报道了通过应力，电场或者温度等调谐技术实现的谐振波长调谐。这些传统的调谐方式具有调谐速度慢、精度低、调谐范围小亦或稳定性差等缺点。对于不同结构的可调谐激光器，鲜有工作集中于对微激光器的全光控制，这种非接触且灵活的调谐方法可以进一步降低制造复杂度且改进可调谐波长范围，有望去克服上述问题。本发明在利用液体填充空心玻璃微球作为光学谐振腔的基础上，提出了一种新型的基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光热材料的可调谐激光装置。
本发明的目的还在于提供一种基于光热材料的可调谐激光装置的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于光热材料的可调谐激光装置，包括脉冲激光器1、连续波激光器2、电荷耦合器件CCD6、光谱分析仪7和液体填充空心玻璃微球谐振腔9；所述的液体填充空芯玻璃微球谐振腔是由NaNdF4/染料共同掺杂的液体通过锥形毛细微管注入空心玻璃微球8形成的，脉冲激光器1发射的泵浦光经光学物镜3聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光14，来自谐振腔的信号光由光学物镜聚焦、滤波片5滤去泵浦光后，经半透半反射镜4分束，分束后的光分别进入电荷耦合器件CCD和光谱分析仪，连续波激光直接照射到液体填充空心玻璃微球中，激发分散在液体中的NaNdF411的光热效应。
所述空心玻璃微球的直径为70μm，其壁厚为1μm，空心玻璃微球的表面存在一个直径为15μm的微孔；所述的空心玻璃微球的材料和折射率分别为二氧化硅和1.45；所述二辛酯溶液的折射率为1.48，且混合液体完全充满所述的空心玻璃微球。
一种基于光热材料的可调谐激光装置的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：铜尖蘸取氢氟酸后靠近固定在单模光纤端面上的空心玻璃微球，直到在玻璃微球表面形成一个微孔；
步骤2：使用火焰加热拉伸技术将一段玻璃毛细微管的一端拉成锥形毛细微管，将其正常端与泵注射器连接，锥形端固定在三维位移台上，调整三维位移台，将锥形毛细微管从微孔伸入空心玻璃微球底部，所述的NaNdF4/染料共同掺杂的二辛酯溶液通过控制泵注射器注入空心玻璃微球，制备出液体填充空心玻璃微球谐振腔；
步骤3：Nd:YAG脉冲激光器发出的泵浦光通过光学物镜聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光；
步骤4：液体填充空心玻璃微球发出的信号光由光学物镜聚焦、滤去泵浦光后，经半透半反射镜分束，两束光分别传输到电荷耦合器件CCD和光谱分析仪；
步骤5：793nm连续波激光器发出的激光直接照射到所述的液体填充空心玻璃微球中，激发NaNdF4的光热效应，产生微观温度。
所述铜尖的直径为9μm，氢氟酸溶液浓度为1％，锥形毛细微微管的内径和外径分别为6μm和10μm。
本发明的有益效果在于：一、与其它结构谐振腔相比,液体填充空心玻璃微球谐振腔具有尺寸小、制备简单、结构稳定、操作灵活的优点；二、所采用的全光调谐技术的非接触和灵活的特性能够避免对微腔几何结构的损坏，降低制造复杂度并且能够改进可调谐波长范围；三、由于光热纳米材料NaNdF4的产热对掺杂浓度的依赖性，微激光器在一定功率强度范围(0-1.68W/mm2)内的波长调谐范围和调谐灵敏度可以通过增加NaNdF4的掺杂浓度得到进一步改善。
附图说明
图1是NaNdF4/染料共同掺杂液体填充空心玻璃微球的结构示意图；
图2是基于液体填充空心玻璃微球的全光调谐系统示意图；
图3是液体填充空心玻璃微球的全光调谐偏移随功率强度变化的拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的描述。
一种基于光热材料的可调谐激光装置，包括脉冲激光器、连续波激光器、电荷耦合器件CCD、光谱分析仪和液体填充空心玻璃微球谐振腔,其特征是：所述的液体填充空芯玻璃微球谐振腔是由NaNdF4/染料共同掺杂的二辛酯溶液通过锥形毛细微管注入空心玻璃微球形成的，脉冲激光器发射的泵浦光经光学物镜聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光，来自谐振腔的信号光由光学物镜聚焦、滤波片滤去泵浦光后，经半透半反射镜分束，分束后的光分别进入电荷耦合器件CCD和光谱分析仪，连续波激光直接照射到液体填充空心玻璃微球中，激发分散在液体中的NaNdF4的光热效应，产生的热量通过控制微球内部液体的有效折射率来实现激光器的调谐功能，光谱调谐范围由所述连续波激光的功率强度范围决定。
所述的空心玻璃微球通过低折射率的紫外固化胶固定在切平的单模光纤的端面，以方便实验操作。
所述空心玻璃微球的直径为70μm，其壁厚为1μm，空心玻璃微球的表面存在一个直径为15μm的微孔。
所述的空心玻璃微球的材料和折射率分别为二氧化硅和1.45。
所述二辛酯溶液的折射率为1.48，且混合液体完全充满所述的空心玻璃微球。
一种基于光热材料的可调谐微激光器的制备方法为：
(1)铜尖蘸取氢氟酸后靠近固定在单模光纤端面上的空心玻璃微球，直到在玻璃微球表面形成一个微孔。
(2)使用火焰加热拉伸技术将一段玻璃毛细微管的一端拉成锥形毛细微管，将其正常端与泵注射器连接，锥形端固定在三维位移台上，调整三维位移台，将锥形毛细微管从微孔伸入空心玻璃微球底部，所述的NaNdF4/染料共同掺杂的二辛酯溶液通过控制泵注射器注入空心玻璃微球，制备出液体填充空心玻璃微球谐振腔。
(3)Nd:YAG脉冲激光器发出的泵浦光通过光学物镜聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光。
(4)液体填充空心玻璃微球发出的激光由光学物镜聚焦、滤去泵浦光后，经半透半反射镜分束，两束光分别传输到电荷耦合器件CCD和光谱分析仪。
(5)793nm连续波激光器发出的激光直接照射到所述的液体填充空心玻璃微球中，激发NaNdF4的光热效应，产生足够高的微观温度。
所述铜尖的直径为9μm，氢氟酸溶液浓度为1％，所述锥形毛细微管的内径和外径分别为6μm和10μm。
如图1和图2所示，本发明的基于光热材料的可调谐微激光器，包括脉冲激光器(1)、连续波激光器(2)、电荷耦合器件CCD(6)、光谱分析仪(7)和液体填充空心玻璃微球谐振腔(9),所述的液体填充空芯玻璃微球谐振腔是由NaNdF4/染料共同掺杂的液体通过锥形毛细微管注入空心玻璃微球(8)形成的，脉冲激光器发射的泵浦光经光学物镜(3)聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光(14)，来自谐振腔的信号光由光学物镜聚焦、滤波片(5)滤去泵浦光后，经半透半反射镜(4)分束，分束后的光分别进入电荷耦合器件CCD和光谱分析仪，连续波激光直接照射到液体填充空心玻璃微球中，激发分散在液体中的NaNdF4(11)的光热效应，产生的热量通过控制微球内部液体的有效折射率来实现激光器的调谐功能，光谱调谐范围由所述连续波激光的功率强度范围决定。
所述的空心玻璃微球通过低折射率的紫外固化胶固定在切平的单模光纤端面，以方便实验操作。
所述空心玻璃微球的直径为70μm，其壁厚为1μm，空心玻璃微球的表面存在一个直径为15μm的微孔。
所述的空心玻璃微球的材料和折射率分别为二氧化硅和1.45。
所述二辛酯溶液的折射率为1.48，且混合液体完全充满所述的空心玻璃微球。
本发明的使用基于光热材料的可调谐微激光器的制备方法包括：
1、准备阶段。首先，将空心玻璃微球(8)均匀地撒在酒精擦拭过的玻璃载玻片上，自然风干酒精；之后，剥去单模光纤(10)的涂覆层，将端面切平并且擦拭干净。最后，切平的端面蘸取少量的紫外固化胶，固定在三维位移台(15)上，空心玻璃微球通过移动三维位移台固定到单模光纤端面，在紫外灯照射下固化。
2、形成微孔阶段。垂直放置端面固定有空心玻璃微球(8)的单模光纤(10)，将直径为9μm的铜尖浸入氢氟酸中，然后控制铜尖靠近空心玻璃微球直到在表面形成一个直径为15μm的微孔。
3、注入液体阶段。使用火焰加热拉伸技术将一段玻璃毛细微管的一端拉成锥形毛细微管(17)，其正常端与泵注射器连接，锥形端固定在三维位移台(15)上，调整三维位移台，将锥形毛细微管从微孔伸入空心玻璃微球(8)底部，所述的NaNdF4/染料共同掺杂的二辛酯溶液通过控制泵注射器(16)注入空心玻璃微球，制备出液体填充空心玻璃微球谐振腔(9)。
4、激发阶段。由Nd:YAG脉冲激光器(1)发射的泵浦激光(12)通过光学物镜(3)聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球谐振腔(9)表面，染料DCM受激发出荧光，其在混合液体与玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光(14)。
5、接收阶段。来自液体填充空心玻璃微球谐振腔(9)的激光由光学物镜聚焦、滤波片(5)滤去泵浦光后，经半透半反射镜(4)分束，两束光分别传输到电荷耦合器件CCD(6)和光谱分析仪(7)。
6、调谐阶段。793nm连续波激光(13)直接照射到所述的液体填充空心玻璃微球(9)中，激发NaNdF4(11)的光热效应，产生足够高的微观温度。
本发明的一种基于光热材料的可调谐激光器的调谐原理为:
当分散在液体中的NaNdF4(11)受到793nm连续波激光(13)激发时，NaNdF4的光热效应所引起的液体温度变化可以改变微腔的有效折射率(液体折射率随着温度的升高而下降)，从而引起谐振波长的偏移。当折射率较高的掺杂液体填充空心玻璃微球(8)时，所形成的液体填充空心玻璃微球谐振腔(9)的波长偏移和折射率变化的关系符合公式(1),Δλ为波长改变值，λ0为激光波长，n为液体的折射率，ΔT为液体温度的变化值，dn/dT是二辛酯的热光系数(-3.86×10-4)。由该公式可知，液体温度变化导致了微腔折射率的改变，激光波长将发生移动，直观的表现为光谱的偏移。
Figure BDA0002299508980000051
以上所述的具体实验方案，对本发明的具体制备方法进行了进一步的详细说明。本发明将光热纳米材料NaNdF4分散到光学微谐振腔中，利用材料的光热效应提出了一种新型的可调谐激光装置及全光调谐方法。
综上所述，本发明提供了一种基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法，属于光学微器件领域。光热材料NaNdF4和荧光染料DCM共掺杂至二辛酯中作为微米级光学谐振腔液芯，在532nm脉冲激光激发下得到回音壁模式激光发射。分散相NaNdF4受到793nm连续波激光照射时，光热效应引起的微腔折射率变化导致激光光谱的大动态范围偏移。本发明通过将光热纳米材料NaNdF4分散到光学微谐振腔中，提出一种新型的基于光热材料的可调谐激光装置及全光调谐方法。

Claims (4)

1.一种基于光热材料的可调谐激光装置，其特征在于，包括脉冲激光器(1)、连续波激光器(2)、电荷耦合器件CCD(6)、光谱分析仪(7)和液体填充空心玻璃微球谐振腔(9)；所述的液体填充空芯玻璃微球谐振腔是由NaNdF4/染料共同掺杂的液体通过锥形毛细微管注入空心玻璃微球(8)形成的，脉冲激光器(1)发射的泵浦光经光学物镜(3)聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光(14)，来自谐振腔的信号光由光学物镜聚焦、滤波片(5)滤去泵浦光后，经半透半反射镜(4)分束，分束后的光分别进入电荷耦合器件CCD和光谱分析仪，连续波激光直接照射到液体填充空心玻璃微球中，激发分散在液体中的NaNdF4(11)的光热效应。
2.根据权利要求1中所述的一种基于光热材料的可调谐激光装置，其特征在于，所述空心玻璃微球的直径为70μm，其壁厚为1μm，空心玻璃微球的表面存在一个直径为15μm的微孔；所述的空心玻璃微球的材料和折射率分别为二氧化硅和1.45；所述二辛酯溶液的折射率为1.48，且混合液体完全充满所述的空心玻璃微球。
3.一种基于光热材料的可调谐激光装置的全光调谐方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：铜尖蘸取氢氟酸后靠近固定在单模光纤端面上的空心玻璃微球，直到在玻璃微球表面形成一个微孔；
步骤2：使用火焰加热拉伸技术将一段玻璃毛细微管的一端拉成锥形毛细微管，将其正常端与泵注射器连接，锥形端固定在三维位移台上，调整三维位移台，将锥形毛细微管从微孔伸入空心玻璃微球底部，所述的NaNdF4/染料共同掺杂的二辛酯溶液通过控制泵注射器注入空心玻璃微球，制备出液体填充空心玻璃微球谐振腔；
步骤3：Nd:YAG脉冲激光器发出的泵浦光通过光学物镜聚焦后照射到液体填充空心玻璃微球表面，染料DCM受激产生的荧光在混合液体和玻璃壁的交界面处发生全内反射，形成回音壁模式激光；
步骤4：液体填充空心玻璃微球发出的信号光由光学物镜聚焦、滤去泵浦光后，经半透半反射镜分束，两束光分别传输到电荷耦合器件CCD和光谱分析仪；
步骤5：793nm连续波激光器发出的激光直接照射到所述的液体填充空心玻璃微球中，激发NaNdF4的光热效应，产生微观温度。
4.根据权利要求3所述的一种基于光热材料的可调谐激光装置的全光调谐方法，其特征在于，所述铜尖的直径为9μm，氢氟酸溶液浓度为1％，锥形毛细微微管的内径和外径分别为6μm和10μm。
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