CN111585161B - 一种缺陷椭圆微盘及基于该缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种缺陷椭圆微盘及基于该缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器。一种缺陷椭圆微盘，由两个及以上椭圆微盘相互交叉组合而成，所述两个及以上椭圆微盘的长轴重合且相等，短轴各不相等，在所述椭圆微盘的长轴和其一侧边缘的交点上具有一个缺口。本发明所述的缺陷椭圆微盘及激光器，能够同时在可见光波段实现多种波长的单向共轴出射，出射轴与各微盘的长轴共线，远场发散角只有4°，最高的出射效率达到93%。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
技术领域
本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种缺陷椭圆微盘及基于该缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器。
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，将回音壁模式微腔激光器作为多波长激光器，在波分复用系统、光信号处理以及生物医学研究等领域的应用引起了研究人员的广泛关注。
传统的多波长回音壁模式微腔激光器是将多个回音壁模式微腔径向耦合或切向耦合到一根波导上，然后用电泵浦实现多波长输出激光器。然而，这种方法不仅需要精确控制微腔与波导之间的距离，而且它们之间的耦合损耗还会造成不同波长下的激光输出峰值不同。最近，有人提出用杂化胶质量子点与无机纳米材料复合制备一种基于回音壁模式微泡的多波长激光器。但是，要制备均匀分散的量子点无机复合材料是非常困难的，制备过程中极易造成量子点聚集，从而产生很高的光散射和损耗，而且这种结构受限于半球形的液滴，难以控制微腔的形状并实现批量生产。
发明内容
针对上述不足，本发明提供了一种缺陷椭圆微盘及基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，利用多个周长阶梯变化的缺陷椭圆微盘交叉组合，实现多波长等间距、互不干扰地输出，并且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，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：一种缺陷椭圆微盘，由两个及以上椭圆微盘相互交叉组合而成，所述两个及以上椭圆微盘的长轴重合且相等，短轴各不相等，在所述椭圆微盘的长轴和其一侧边缘的交点上具有一个缺口。
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，短半轴和长半轴之比为0.799～0.829。
进一步优选的，所述的相互交叉的椭圆微盘中任意相邻椭圆微盘之间的夹角相等。
进一步优选的，所述缺口的形状为半个标准椭球形，所述缺口的赤道半径分别为0.3μm和0.25μm，极半径为0.25μm，所述缺口的极半径与交叉椭圆微盘的边缘相切，切点位于椭圆微盘的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。
进一步优选地，所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴共线，出射光的出射轴与各椭圆微盘的长轴共线。
进一步优选的，所述相互交叉的椭圆微盘的高度均相等，所述缺口的极半径为所述椭圆微盘高度的1/2。
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。
本发明还提供一种基于所述缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器。
本发明所述的缺陷椭圆微盘及基于该缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，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)本发明所述的基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，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)本发明所述的基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器在同一台设备上实现了多种不同波长的激光输出，而且远场发散角只有4°，远小于
型微腔30°左右的远场发散角，而且最高的出射效率达到93％。
附图说明
图1是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器的示意图；
图2是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器中四个椭圆微盘交叉组合的示意图；
图3是本发明提供的一种缺陷椭圆微盘中任意一个椭圆微盘的正面视图；
图4是本发明提供的一种缺陷椭圆微盘中任意一个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基于缺陷椭圆微盘的四波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图；
图6是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的四波长输出激光器分别在四个谐振输出波长下的远场场强分布图；
图7是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的四波长输出激光器的出射效率和远场发散角随波长的变化情况图；
图8是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的双波长输出激光器中两个椭圆微盘交叉组合的示意图；
图9是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的双波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图；
图10是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的三波长输出激光器中三个椭圆微盘交叉组合的示意图；
图11是本发明提供的一种基于缺陷椭圆微盘的三波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图。
具体实施方式
本发明提供的一种缺陷椭圆微盘及基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，其工作原理为：已知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 theoryof optics.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，缺口就位于辅助椭圆的左焦点上，而非椭圆微盘的焦点。椭圆微盘的右边界要最大限度地与辅助椭圆接近或重合。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
才能够获得最多平行出射的光，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，因此这就是对于该种材料制成的椭圆微盘来说获得最高出射的最佳变形系数。微盘的缺口位于微盘的长轴和边缘的交点处。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NanoscribeGmbH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：Cn＝mλ(其中C为微盘外壁周长；n是微盘材料的折射率；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。
因此，本发明所提出的一种缺陷椭圆微盘及基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，可以作为可见光波段的微腔激光器，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本实施例提供的一种基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，如图1所示，包括泵浦光源1、衬底2、缺陷椭圆微盘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。缺陷椭圆微盘3设置在衬底2上。缺陷椭圆微盘3为四个具有不同变形系数的交叉组合的回音壁模式椭圆微盘；光谱仪4为可见光谱仪。
泵浦光源1的作用是向缺陷椭圆微盘的缺口一侧入射泵浦光，照射中心在缺口5的中心。缺陷椭圆微盘3的作用是在泵浦光源1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的作用是在缺陷椭圆微盘3的缺口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是本实施例中的缺陷椭圆微盘3的示意图。如图所示，在上述最佳变形系数附近取三个不同的变形系数，分别是0.799、0.809和0.829，连同最佳变形系数0.819一起，设计四个椭圆微盘6，四个椭圆微盘相互交叉形成了缺陷椭圆微盘3，任意两个相邻椭圆微盘之间的夹角均为45°，形成四个独立、互不干扰的回音壁光学微腔。四个椭圆微盘6的长半轴重合且相等，均为4.6μm，短半轴按照四个变形系数得到四个不同的值：分别为3.68μm、3.72μm、3.77μm、3.81μm，从而得到它们各自的周长依次为26.09μm、26.21μm、26.35μm和26.48μm，对于同一阶回音壁模式，它们在四个椭圆微盘中会经历不同的周长，从而形成不同的谐振波长。由于缺口5的存在，使得缺口对侧的边缘会形成回音壁模式的四个不同谐振波长的单向出射，利用光谱仪4进行收集并分析。
如图2和3所示，在四个交叉椭圆微盘6的长轴和一侧边缘的交点上引入一个缺口5。缺口5的形状为半个标准椭球，其赤道半径分别为w＝0.3μm和d＝0.25μm，极半径h＝0.25μm，缺口5的极半径h与四个相互交叉的椭圆微盘6的边缘相切，切点位于椭圆微盘6的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。缺口5的极半径h为椭圆微盘6高度的1/2。缺口5的长半轴与椭圆微盘6的长轴共线。此结构的优点在于，便于泵浦光耦合进微盘，经过椭圆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。
本实施例中，组成缺陷椭圆微盘3的四个相互交叉的椭圆微盘6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 GT 3D打印机制成的。其中罗丹明6G的掺杂量为5wt％。
本实施例的缺陷椭圆微盘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：Cn＝mλ(其中C为微盘外壁周长；n是微盘材料的折射率；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3中得到相干加强。
本实施例中，图5是本发明提供的四波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图。如图所示，四个谐振峰分别出现在波长528.80μm、531.43μm、534.06μm和536.69μm处。任意两个相邻的椭圆微盘之间的变形参数差为0.01，周长差为130nm，得到同一阶回音壁模式的谐振波长差为2.63nm。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。
图6是本实施例的四波长输出激光器在四个谐振输出波长下的远场场强分布图，如图所示，四个波长下的远场发散角都很小，均在4°左右。
图7是本发明提供的四波长输出激光器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93％和最小的远场发散角4°。
实施例2本实施例提供的一种基于缺陷椭圆微盘的双波长输出激光器，包括泵浦光源1、衬底2、缺陷椭圆微盘3和光谱仪4。其中，本实施例的缺陷椭圆微盘3如图8所示，由两个椭圆微盘相互交叉形成，两个椭圆微盘的夹角为90°，形成两个独立、互不干扰的回音壁光学微腔。图9是本发明提供的双波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图。如图所示，两个谐振峰分别出现在波长528.80μm和536.69μm处。
椭圆微盘6的长半轴重合且相等，均为4.6μm，短半轴按照两个变形系数0.799和0.829得到：分别为3.68μm、3.81μm，从而得到它们各自的周长依次为26.09μm、26.48μm。缺口5位于交叉椭圆微盘6的长轴和一侧边缘的交点上。缺口5的形状为半个标准椭球，其赤道半径分别为w＝0.3μm和d＝0.25μm，极半径h＝0.25μm，缺口5的极半径h与相互交叉的椭圆微盘6的边缘相切，切点位于椭圆微盘6的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。缺口5的极半径h为椭圆微盘6高度的1/2。缺口5的长半轴与椭圆微盘6的长轴共线。
本实施例中，组成缺陷椭圆微盘3的两个相互交叉的椭圆微盘6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 GT 3D打印机制成的。其中罗丹明6G的掺杂量为5wt％。
实施例3本实施例提供的一种基于缺陷椭圆微盘的三波长输出激光器，包括泵浦光源1、衬底2、缺陷椭圆微盘3和光谱仪4。其中，本实施例的缺陷椭圆微盘3如图10所示，由三个椭圆微盘相互交叉形成，相邻两个椭圆微盘的夹角为60°，形成三个独立、互不干扰的回音壁光学微腔。图11是本发明提供的三波长输出激光器在可见光波段的谐振光谱图。如图所示，三个谐振峰分别出现在波长531.43μm、534.06μm和536.69μm处。
椭圆微盘6的长半轴重合且相等，均为4.6μm，短半轴按照三个变形系数0.799、0.809和0.819得到：分别为3.68μm、3.72μm和3.77μm，从而得到它们各自的周长依次为26.21μm、26.35μm和26.48μm。缺口5位于交叉椭圆微盘6的长轴和一侧边缘的交点上。缺口5的形状为半个标准椭球，其赤道半径分别为w＝0.3μm和d＝0.25μm，极半径h＝0.25μm，缺口5的极半径h与相互交叉的椭圆微盘6的边缘相切，切点位于椭圆微盘6的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。缺口5的极半径h为椭圆微盘6高度的1/2。缺口5的长半轴与椭圆微盘6的长轴共线。
本实施例中，组成缺陷椭圆微盘3的三个相互交叉的椭圆微盘6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 GT 3D打印机制成的。其中罗丹明6G的掺杂量为5wt％。
需要说明的是，本发明提供的缺陷椭圆微盘理论上可以由N(N≥2)个相互交叉的椭圆微盘组成，相邻两个椭圆微盘的夹角均相等，可以实现N个波长的输出。但是随着椭圆微盘数量的增加，由于相邻椭圆微盘之间的夹角变小，可能会造成不同波长之间的干扰。
Claims (9)
1.一种缺陷椭圆微盘，其特征在于：由两个及以上椭圆微盘相互交叉组合，形成多个独立、互不干扰的回音壁光学微腔；所述两个及以上椭圆微盘的长轴重合且相等，短轴各不相等，在所述椭圆微盘的长轴和其一侧边缘的交点上具有一个缺口；泵浦光源向缺口一侧入射泵浦光；在泵浦光源的照射下，所述缺陷椭圆微盘使满足谐振条件的激光在微腔内多次振荡，形成多个不同的谐振波长，在缺口对侧的边缘单向出射。
2.根据权利要求1所述的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述椭圆微盘的形状为标准椭圆，短半轴和长半轴之比为0.799～0.829。
3.根据权利要求1所述的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述相互交叉的椭圆微盘中任意相邻椭圆微盘之间的夹角相等。
4.根据权利要求1所述的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的形状为半个标准椭球形，所述缺口的赤道半径分别为0.3μm和0.25μm，极半径为0.25μm，所述缺口的极半径与交叉椭圆微盘的边缘相切，切点位于椭圆微盘的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。
5.根据权利要求1所述的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴共线，出射光的出射轴与各椭圆微盘的长轴共线。
6.根据权利要求1所述的缺陷椭圆微盘，其特征在于：所述相互交叉的椭圆微盘的高度均相等，所述缺口的极半径为所述椭圆微盘高度的1/2。
7.根据权利要求1-6任一项所述的缺陷椭圆微盘，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。
9.一种基于缺陷椭圆微盘的多波长输出激光器，包括如权利要求1-6、8任一项所述的缺陷椭圆微盘。
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