CN111585160A - 一种单向出射的缺陷椭圆微盘及激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种单向出射的缺陷椭圆微盘及激光器。一种单向出射的缺陷椭圆微盘，所述的微盘为边缘引入一个缺口的椭圆微盘；所述缺口位于所述椭圆微盘长半轴和边缘的交点上。本发明还提供一种包含所述缺陷椭圆微盘的激光器，能够在近红外和可见光波段实现单向出射，远场发散角只有4°，最高的出射效率达到84%。本发明具有结构简单紧凑易于制备，器件体积更小、节省空间、易于阵列化等优点，可广泛应用于生物医学及环境检测等领域。

Description

一种单向出射的缺陷椭圆微盘及激光器
技术领域
本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种单向出射的缺陷椭圆微盘及激光器。
背景技术
回音壁模式微腔激光器具有体积小、阈值低、功耗低等优点，在光子集成电路和片上光互连光源等应用中颇具优势。在过去的二十年中，微腔激光器的定向输出特性引起了研究人员的广泛关注，但是受限于其圆形旋转对称结构，回音壁模式微腔激光器的定向输出特性严重限制了它的大规模集成与应用。
一种解决方法是利用棱镜、平面波导或楔形光纤等装置将疏逝波耦合出来。但是，这种方法需要精确地校准，而且对于机械振动或周围环境的扰动非常敏感，从而限制了其实际应用。于是人们提出了另一种方法，就是通过变形或引入缺陷打破微腔原有的圆对称性，提高了出射的方向性和功率收集的效率，更加便于制备。然而，所有的变形微腔都存在一个问题就是当形变增大时，品质因子也会显著地下降，从而使绝大部分的微腔内无法继续实现回音壁模式。
而且，目前高品质因子的回音壁模式微腔都是在硅或二氧化硅等材料制成的微腔中实现的，虽然对于超宽带频率梳、单纳米粒子或单分子检测等技术铺平了道路，但是硅材料对酸和碱溶液的耐腐蚀性很差，而且需要很高的回流温度，对于有机分子和量子点等功能材料并不适用，从而限制了这类器件在生物医学和环境检测等情况下的应用。
现有技术中，研究热点集中在高折射率材料(2.7＜n＜3.9)制成的变形微盘上，这些微盘的远场发散角都在6°以上。2015年，Schermer M等人(Schermer，M.，S.Bittner，G.Singh，C.Ulysse，M.Lebental，and J.Wiersig.″Unidirectional light emission fromlow-index polymer microlasers.″Applied Physics Letters 106，no.10(2015)：101107.)提出的一种”矮鸡蛋”形聚合物微盘，远场发散角为6°。但是这种微盘的尺寸达到160μm，无法适应更小尺度下甚至纳米尺寸下的应用。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种由聚合物材料制成的缺陷椭圆微盘及激光器，利用交联聚合物的高硬度、高玻璃转移温度以及对酸和碱溶液出色的耐腐蚀性等优点，克服了传统硅材料的不足，并且通过在微盘边缘引入一个波长级的缺陷，实现了高品质的回音壁模式在缺陷对侧的单向出射，在生物医学及环境检测等领域有广泛的应用前景。
本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种单向出射的缺陷椭圆微盘，该微盘为边缘引入一个缺口的椭圆微盘；所述缺口位于所述椭圆微盘长半轴和边缘的交点上。
作为本发明的一种优选方式，所述椭圆微盘的形状为标准椭圆。
进一步优选的，所述椭圆微盘的长半轴为5.0μm，短半轴为4.1μm；所述缺口的形状为标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.25μm，长半轴为0.3μm；所述椭圆微盘的出射光波长在近红外波段的756nm。
进一步优选的，所述椭圆微盘的长半轴为4.56μm，短半轴为3.73μm；所述缺口的形状为标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.20μm，长半轴为0.25μm；所述椭圆微盘的出射光波长在可见光波段的532nm。
进一步优选的，所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴共线，缺口的短轴与椭圆微盘的边缘相交。
进一步优选的，所述缺口的高度与所述椭圆微盘的高度相同。
进一步优选的，所述的椭圆微盘是利用掺杂了染料的交联聚合物材料制备而成。
进一步优选的，所述的交联聚合物材料为IP-Dip树脂。
进一步优选的，所述染料的掺杂量为5wt％。
进一步优选的，所述的染料为罗丹明或DCM染料。
本发明还提供一种包含所述缺陷椭圆微盘的激光器。
本发明所述的单向出射的缺陷椭圆微盘及激光器，与现有技术相比，有益效果为：
(1)由于交联聚合物材料具有优良的物理和化学特性，包括高硬度、高玻璃转移温度以及对酸和碱溶液出色的耐腐蚀性等优点，因此本发明提供的缺陷椭圆微盘及激光器可广泛应用于生物医学及环境检测等领域。
(2)本发明所述的激光器，具有结构简单紧凑易于制备，器件体积更小、节省空间、易于阵列化等优点。
(3)本发明所述的缺陷椭圆微盘及激光器能够实现高品质的回音壁模式在近红外和可见光波段的单向出射，远场发散角只有4°，最高的出射效率达到84％。
附图说明
图1是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘激光器的示意图；
图2是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘的俯视图；
图3是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘的正面视图；
图4是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘的回音壁模式的径向模场分布图；
图5是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘在近红外波段的谐振光谱图；
图6是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘在756nm的远场场强分布图；
图7是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘的出射效率和远场发散角随变形系数的变化情况图；
图8是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘在可见光波段的谐振光谱图；
图9是本发明提供的一种单向出射的缺陷椭圆微盘在532nm的远场场强分布图。
具体实施方式
本发明提供的单向出射的缺陷椭圆微盘，其工作原理为：根据Wang，Qi Jie，Changling Yan，Nanfang Yu，Julia Unterhinninghofen，Jan Wiersig，Christian Pflügl，Laurent Diehl et al.″Whispering-gallery mode resonators for highlyunidirectional laser action.”Proceedings of the National Academy of Sciences107，no.52(2010)：22407-22412.，为了使缺陷散射的光最大程度地聚焦，本发明利用椭圆的性质：对于任意折射率大于1的材料，总可以找到一个辅助椭圆，使得入射的所有平行光都聚焦到辅助椭圆的一个焦点上(Luneburg，Rudolf Karl.Mathematical theory ofoptics.Univ of California Press，1964.，Chap 3，p 132)。反之，从辅助椭圆的左焦点出射的光都会被椭圆的右边界折射为平行光。注意，缺陷就位于辅助椭圆的左焦点上，而非微盘的焦点。微盘的右边界要最大限度地与辅助椭圆接近或重合。定义r(θ)为微盘边缘和O点之间的距离，R(θ)为辅助椭圆上相应的点和O点之间的距离。在R(θ)-r(θ)可以忽略不计的情况下，使角θ的范围最大(根据制备的精确性，本发明设置为|R(θ)-r(θ)|/R(θ)≈1％)。定义变形系数ε≡b/a，其中a和b分别表示椭圆微盘(非辅助椭圆)的长半轴和短半轴的长度，只有满足公式
Figure BDA0002293490330000041
才能够获得最大的角θ，实现最高的发射效率。对于本发明所使用的交联聚合物材料来说，折射率为n＝1.52，利用公式可得到ε＝0.819，因此微盘的缺陷位于微盘的长轴和边缘的交点(点O)处。缺陷椭圆微盘是利用掺杂了染料的交联聚合物材料通过德国Nanoscribe GmbH公司基于双光子聚合技术Photonic Professional GT 3D打印机制成的。缺陷椭圆微盘在泵浦光源的照射下，泵浦光会沿着微盘内壁进行传播，如果满足谐振条件：Cneff＝mλ(其中C为微盘外壁周长；neff是微盘的有效折射率，此处可近似为微盘材料的折射率；m为谐振级次；λ为第m级次的谐振波长)，光会在缺陷椭圆微盘中得到相干加强，从而形成高品质的回音壁模式。由于微盘边缘缺陷的存在，使得缺陷对侧的边缘会形成回音壁模式的单向出射，利用光谱仪收集并分析出射光及出射效率。因此，本发明所提出的一种单向出射的缺陷椭圆聚合物微盘，可以作为可见和近红外波段的微腔激光器，用于生物医学及环境检测等领域。
下面结合具体实施例和说明书附图对本发明的技术方案做进一步说明，但不限于此。
实施例1本实施例提供的单向出射的缺陷椭圆微盘激光器，如图1所示，包括泵浦光源1、衬底2、椭圆微盘3和光谱仪4。泵浦光源1为一个脉冲倍频激光器作为泵浦入射光源。椭圆微盘3设置在衬底2上。椭圆微盘3为回音壁模式微盘；光谱仪4为可见近红外光谱仪。
泵浦光源1的作用是向微盘的缺口一侧入射泵浦光，照射中心在缺口5的中心。椭圆微盘3的作用是形成回音壁光学微腔，在泵浦光源的照射下，让满足谐振条件的激光在微腔内多次振荡。光谱仪4的作用是在微盘的缺陷对侧收集并分析出射光。衬底1为硅衬底或二氧化硅衬底。
图2是本实施例中的椭圆微盘3俯视图。如图所示，椭圆微盘3形状为标准椭圆，其长半轴a为5.0μm，短半轴b为4.1μm，高度为0.2μm。
如图2和3所示，在椭圆微盘3长轴与边缘的交点处有一个缺口5。缺口5的形状为标准椭圆，长半轴d为0.3μm，短轴w为0.5μm。缺口5的长轴与椭圆微盘3的长轴在一条直线上。缺口5的高度与椭圆微盘3的高度相同。此结构的好处在于，便于泵浦光耦合进微盘，经过微盘内光与物质的相互作用，微盘内可以形成高品质的回音壁模式，如图4所示。
本实施例的椭圆微盘3是利用掺杂了罗丹明6G的交联聚合物材料IP-Dip树脂通过德国Nanoscribe GmbH公司基于双光子聚合技术Photonic Professional GT3D打印机制成的。其中罗丹明6G的掺杂量为5wt％。
本实施例的椭圆微盘3在泵浦光源1的照射下，泵浦光会沿着微盘内壁进行传播，如果满足谐振条件：Cneff＝mλ(其中C为微盘外壁周长；neff是微盘的有效折射率，此处可近似为微盘材料的折射率；m为谐振级次；λ为第m级次的谐振波长)，光会在椭圆微盘3中得到相干加强。
本实施例中，如图5所示，最强的谐振波长为第64级(即m＝64)的756.2nm附近，掺杂的染料可以作为激光增益介质，对该波长的光进行放大。由于椭圆微3盘边缘缺口的存在，使得缺口对侧的边缘会形成回音壁模式的单向出射，利用光谱仪4收集并分析出射光及出射效率。图6是本实施例的椭圆微盘的远场场强分布图，如图所示，本实施例的椭圆微盘在该谐振波长下的远场发散角只有4°。
图7是本发明提供的椭圆微盘的出射效率和远场发散角随变形系数的变化情况图。由图可知，椭圆微盘的出射效率和远场发散角呈相反的变化趋势，当变形系数在0.819附近时，能获得最高的出射效率84％和最小的远场发散角4°。
实施例2本实施例提供的椭圆微盘，长半轴为a＝4.56μm，短半轴b＝3.73μm。缺口尺寸为短轴w＝0.40μm，长半轴d＝0.25μm。椭圆微盘和缺口的高度为0.20μm。
本实施例的椭圆微盘3是利用掺杂了DCM染料的交联聚合物材料IP-Dip树脂通过德国Nanoscribe GmbH公司基于双光子聚合技术Photonic Professional GT 3D打印机制成的。其中DCM染料的掺杂量为5wt％。
本实施例的椭圆微盘在532nm处有最高的谐振峰，如图8所示。本实施例的椭圆微盘在该谐振波长下的远场发散角只有4°，如图9所示。

Claims (11)

1.一种单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述的微盘为边缘引入一个缺口的椭圆微盘；所述缺口位于所述椭圆微盘长半轴和边缘的交点上。
2.根据权利要求1所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述椭圆微盘的形状为标准椭圆。
3.根据权利要求2所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述椭圆微盘的长半轴为5.0μm，短半轴为4.1μm；所述缺口的形状为标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.25μm，长半轴为0.3μm；所述椭圆微盘的出射光波长在近红外波段的756nm。
4.根据权利要求2所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述椭圆微盘的长半轴为4.56μm，短半轴为3.73μm；所述缺口的形状为标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.20μm，长半轴为0.25μm；所述椭圆微盘的出射光波长在可见光波段的532nm。
5.根据权利要求3或4所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴共线，缺口的短轴与椭圆微盘的边缘相交。
6.根据权利要求5所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的高度与所述椭圆微盘的高度相同。
7.根据权利要求6所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述的椭圆微盘是利用掺杂了染料的交联聚合物材料制备而成。
8.根据权利要求7所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述的交联聚合物材料为IP-Dip树脂。
9.根据权利要求7所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述染料的掺杂量为5wt%。
10.根据权利要求7所述的单向出射的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述的染料为罗丹明或DCM染料。
11.一种单向出射的激光器，包括如权利要求1-4、6-10任一项所述的缺陷椭圆微盘。
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