CN113376733B - 量子点填充的空气包层空芯zblan光纤及其中红外单模激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于回音壁模式微腔激光器技术领域，具体涉及一种量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤及其中红外单模激光器，该空气包层空芯ZBLAN光纤应用于宇称时间对称回音壁模式微腔中红外单模激光器。空气包层空芯ZBLAN光纤的材料组分为：53mol％ZrF4‑20mol％BaF2‑4mol％LaF3‑3mol％AlF3‑20mol％NaF，ZBLAN光纤中间设有一空气芯，周围环绕着一圈空气孔，所述空气孔交替填充折射率实部相等、虚部相反的增益材料和损耗材料。
Description
技术领域
本发明属于回音壁模式微腔激光器技术领域，具体涉及一种量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤及其中红外单模激光器，该空气包层空芯ZBLAN光纤应用于宇称时间对称回音壁模式微腔中红外单模激光器。
背景技术
在激光技术领域中，一般将中红外波段定义为2μm至5μm波段。高效的中红外光源与激光器是多种先进技术的重要促成因素，包括成像、气体分析、遥感与大气监测等，在国防、医疗、环境检测、通讯、工业等领域的具有重要的应用价值，因此中红外波段激光已成为国内外激光技术领域的研究热点之一。目前产生中红外激光的技术手段主要包括掺杂离子发射、非线性频率转换、半导体激光、量子级联激光、气体激光、自由电子激光以及随机激光和色心激光等。目前实现单模激光输出的技术手段也有多种，如在谐振腔中利用光学反馈实现单模、通过缩短谐振腔腔长使激光纵模间隔大于增益范围得到单模激射、对泵浦光进行空间调制以实现模式选择、基于宇称时间对称性实现单模激光输出等。如2015年吉林大学的孙洪波等人提出了一种三维几何非对称结构的微谐振腔聚合物单模激光器(三维非对称微谐振腔聚合物单模激光器，公开号：CN104868352B，授权公开日：2017.12.29)，该专利利用飞秒激光微纳加工系统对掺有罗丹明B等的SU-8光刻胶材料进行加工形成聚合物微谐振腔激光器，可以在室温下实现单纵模波长的激光发射，然而其制作加工比较困难，同时输出光谱在可见光范围内，无法满足中红外光源的需要。2020年中科院半导体所的尚金铭等人提出了一种中红外单模激光器(中红外单模激光器，公开号：CN 111244734A，公开日：2020.6.5)，该专利通过空间光的技术产生单模激光，模块包括激光源、增益模块、碟片晶体、反射镜与输出耦合镜等。其体积较大，调节困难，基本无法做到集成化，大大限制其应用。
自1998年Carl M Bender等人发现满足宇称时间对称性的非厄米哈密顿量在一定的参数取值范围内也可能具有实本征值以来，光学宇称时间对称特性引起了越来越多的研究兴趣。在激光物理及相关应用领域，利用宇称时间对称性破缺性质，可以实现对激光器模式的调控，从而实现更好的单模输出。如在2014年，Hossein Hodaei等人利用基于宇称时间对称性的增益损耗腔耦合系统实现了稳定的单纵模激光输出(Hodaei H.,Miri M.A.,Heinrich M.,Christodoulides D.N.,Khajavikhan M.,“Parity-time-symmetricmicroring lasers.Science”,2014,346(6212):975-978.)。同样在2014年，Liang Feng等人基于宇称时间对称性破缺原理利用具有旋转对称结构的增益损耗介质交替掺杂微环谐振腔，实现了单模激射。由于旋转对称结构的无阈值宇称时间对称性破缺特性，微腔支持的特定阶数的回音壁模式可以维持稳定的单模运转(Feng L.,Wong Z.J.,Ma R.M.,Wang Y.,Zhang X.,“Single-mode laser by parity-time symmetry breaking”,Science,2014,346(6212):972-975.)。然而，以上结构制备工艺困难，加工成本高，难以与现有的光纤系统结合，且工作在近红外波段，限制了其应用范围。2019年，电子科技大学的龚朝阳等人利用填充了罗丹明喹啉溶液的空气包层光纤在脉冲泵浦激光器泵浦下实现了回音壁模式激光出射(Gong C.Y.,Gong Y.,Yang X.,Peng G.D.,Rao Y.J.,“Pseudo Whispering GalleryMode Optofluidic Lasing Based on Air-Clad Optical Fiber”,Journal of LightwaveTechnology,2019,37(11):2623-2627.)，然而由于结构的固有缺陷导致其无法实现单模运转，同时其输出波长位于可见光波段，无法满足中红外波段的需要。
发明内容
针对目前的单模激光器制作困难，制作成本高，激发阈值高，难以稳定运行等问题，本发明提出了一种量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，该ZBLAN光纤应用于宇称时间对称回音壁模式微腔中红外单模激光器，为中红外波段的激光应用提供了一种理想的解决方案。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，该ZBLAN光纤的材料组分为：53mol％ZrF4-20mol％BaF2-4mol％LaF3-3mol％AlF3-20mol％NaF，其中mol％指该组分在该材料中的摩尔百分比，ZBLAN光纤中间设有一空气芯，周围环绕着一圈空气孔，所述空气孔交替填充折射率实部相等、虚部相反的增益材料和损耗材料。
本技术方案进一步的优化，所述增益材料为胶体量子点。
本技术方案更进一步的优化，所述胶体量子点为硫化汞胶体量子点、硫化铅量子点或碲化汞量子点。
本技术方案更进一步的优化，所述硫化汞量子点材料的折射率为1.50566，折射率虚部为-0.005；损耗材料的折射率实部同为1.50566，折射率虚部为0.005。
本技术方案更进一步的优化，所述硫化汞胶体量子点的制作方法：首先将氯化汞81mg和10mL油酰胺装入50mL圆底烧瓶中，在120℃真空下加热氯化汞油酰胺溶液1小时，然后在氩气中冷却至30℃；快速注入0.3mL新制备的溶解于油酰胺中的1mol/L硫代乙酰胺，溶液立即呈现黑色，表明有硫化汞生成，在30分钟到1小时之间，反应结束；将上述溶液转移到体积当量分别为10％的十二硫醇与1％的三辛基膦的四氯乙烯溶液中停止反应，得到的硫化汞胶体量子点溶液即可作为增益材料填充入ZBLAN光纤的包层空气孔中。
本技术方案进一步的优化，所述损耗材料为液晶材料。
本技术方案进一步的优化，所述空气芯填充光学功能材料。
本技术方案进一步的优化，所述空气芯半径为14.75μm，空气孔的宽度为0.51μm，空气孔长度为2.95μm，空气孔间壁厚为0.34μm，空气孔距内芯与外壁的距离均为1μm。
中红外单模激光器，包括上述的空气包层空芯ZBLAN光纤、普通ZBLAN光纤和泵浦激光器，泵浦激光器发射的激光以自由空间光的形式照射到空气包层空芯ZBLAN光纤上，空气包层空芯ZBLAN光纤中的模式将会同时经历增益与损耗，最终模场全部分布于增益腔中的模式将产生中红外单模激光并经由普通ZBLAN光纤耦合输出。
区别于现有技术，上述技术方案的有益效果如下：
单模激光器可实现在波长5μm附近的单模激光出射，基于微腔结构的连续旋转对称宇称时间对称破缺特性可以实现独特的无阈值单模激光激射。同时通过在空气芯中填充光学功能材料可实现对输出激光波长的调谐，计算结果表明该结构的波长调谐灵敏度为1.62nm/RIU，因此可实现对激光波长的高精度调谐，同时该结构还具有波长调谐线性度高，调谐方式灵活多样的优点。
附图说明
图1为量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤的截面结构示意图；
图2为本发明中中红外单模激光器的结构示意图；
图3为激光谐振腔中的模场分布示意图；
图4为当空气芯中填充材料折射率为1.37时微腔激光器在4.8μm-5.2μm范围内的发射光谱图；
图5为微腔激光器激射波长随空气芯中填充光学功能材料折射率的变化曲线图；
图6为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤外壁厚度的变化曲线图；
图7为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤空气孔长度的变化曲线图；
图8为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤空气孔宽度的变化曲线图。
图中：1、空气包层空芯ZBLAN光纤，2、普通ZBLAN光纤，3、808nm泵浦激光器。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。
请参阅图1，为量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤的截面结构示意图。本发明优选一实施例量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，该ZBLAN光纤的材料组分为：53mol％ZrF4-20mol％BaF2-4mol％LaF3-3mol％AlF3-20mol％NaF，其中mol％指该组分在该材料中的摩尔百分比，ZBLAN光纤中间设有一空气芯，周围环绕着一圈空气孔，所述空气孔交替填充增益材料和损耗材料，填充增益材料的空气孔称为增益腔，填充损耗材料的空气孔称为损耗腔。空气芯半径为14.75μm，空气孔的宽度W为0.51μm，空气孔长度L为2.95μm，空气孔间壁厚为0.34μm，空气孔距内芯与外壁的距离均为1μm，即空芯光纤的内壁厚度d与外壁厚度D均为1μm。该ZBLAN光纤材料5μm附近的折射率为1.4619。
计算中材料的折射率可用二级Sellmeier公式比较精确地表达为：
式中n(λ)是材料折射率，λ是波长，f1＝1.22514，f2＝1.52898，λ1＝0.08969μm，λ2＝21.3825μm。
通过在ZBLAN光纤的空气孔中交替填充折射率为1.50566的硫化汞胶体量子点材料与液晶材料形成增益损耗交替填充区域，胶体量子点材料的折射率虚部为-0.005，对应于增益区，液晶材料的折射率虚部为0.005，对应于损耗区。
所用胶体量子点为硫化汞胶体量子点，其激发波长位于中红外波段，大概在5μm附近，该量子点在有机溶剂中合成。首先将氯化汞(81mg)和10mL油酰胺装入50mL圆底烧瓶中，在120℃真空下加热氯化汞油酰胺溶液1小时，然后在氩气中冷却至30℃。快速注入0.3mL新制备的溶解于油酰胺中的1mol/L硫代乙酰胺，溶液立即呈现黑色，表明有硫化汞生成。在30分钟到1小时之间，反应结束。利用这种方法产生的样品通常具有1μm附近的激子吸收特征，吸收起始点在8000cm-1至9000cm-1附近。将上述溶液转移到体积当量分别为10％的十二硫醇与1％的三辛基膦的四氯乙烯溶液中停止反应。得到的硫化汞胶体量子点溶液即可作为增益介质填充入ZBLAN光纤的包层空气孔中。
中红外单模激光器，具体结构图如图2所示，包括耦合输出用普通ZBLAN光纤2、空气包层空芯ZBLAN光纤1和808nm泵浦激光器3，普通ZBLAN光纤2和空气包层空芯ZBLAN光纤1是相互垂直放置的。采用泵浦激光器激发空气包层空芯ZBLAN光纤中填充的增益材料，泵浦激光器3发射的激光以自由空间光的形式照射到空气包层空芯ZBLAN光纤1上，空气包层空芯ZBLAN光纤1中的模式将会同时经历增益与损耗，最终模场全部分布于增益腔中的模式将产生中红外单模激光并经由普通ZBLAN光纤2耦合输出。模式是光在微腔里面的不同状态，其在微腔中的分布状态称为模场，也就是不同模式模场不一样。808nm泵浦激光器3发射的激光是泵浦光，泵浦空气包层空芯ZBLAN光纤1里面的增益材料，然后形成的激光通过普通ZBLAN光纤2耦合输出。
该实施例在空气孔中交替填充可发射中红外光的胶体量子点与同折射率实部具有损耗的液晶材料，利用微腔结构的连续旋转对称性可以实现无阈值宇称时间对称破缺，这种对称性破缺仅对特定的回音壁模式有效，并且支持两种能量简并模式：非振荡损耗模式和振荡增益模式，其余回音壁模式会经历平衡的增益损耗调制，处于激光阈值以下，最终只有增益模式可以发生激射，实现中红外波段的单模激光输出。通过向光纤空气芯填充光学功能材料还可以实现对输出激光波长的调谐。本发明具有无阈值激射、集成度高、单模特性好、波长可调谐、与现有光纤系统兼容性强等优点。
该实施例中单模激光器输出波长在5μm附近，光纤中间的空气芯可以填充光学功能材料，通过改变光学功能材料的折射率可以实现对输出波长的调谐。
单模激光产生与调谐原理：
ZBLAN光纤的空气孔中交替填充了增益材料和损耗材料，在光纤截面的角向形成周期性的复折射率分布，可由以下式描述：
l＝0,2,4,...,2N-2。宇称时间对称微腔的每个周期都由四个不同部分组成：n1,n2，n3与n4,其中△g'代表增益材料填充孔中的增益强度，△γ'为损耗材料填充孔中的损耗强度，n0为填充材料的折射率实部，n'0为包层空气孔壁的折射率，在本实施例中即有：n0＝1.50566，n′0＝1.4619，△g'＝-0.005，△γ'＝0.005。
对于以上微腔结构，仅有特定的模式处于宇称时间对称破缺状态，分别为非振荡损耗模式与振荡增益模式，其中非振荡损耗模式模场全部分布于填充损耗材料的空气孔中，而振荡增益模式模场全部分布于填充增益材料的空气孔中，两模式的本征频率拥有相同的实部和相反的虚部。其它模式处于宇称时间对称状态，其模场的能量均匀地分布于填充增益材料和损耗材料的空气孔中。因此，最终只有振荡增益模式可以激射，使输出激光具有单模特性。
在空气包层空芯光纤的空气芯中填充光学功能材料时，空气包层空芯光纤的本征频率会随光学功能材料折射率的改变而发生变化，引起振荡增益模式本征频率的改变，从而实现对输出激光波长的调谐。
参阅图3所示，为激光谐振腔中的模场分布示意图。图3中左上为振荡增益模式的模场分布，右上为非振荡损耗模式的模场分布，左下和右下皆为处于宇称时间对称状态模式的模场分布。可以看到非振荡损耗模式模场的能量全部分布于填充损耗材料的空气孔中，而振荡增益模式模场的能量全部分布于填充增益材料的空气孔中，两模式的本征频率具有相同的实部和相反的虚部；而其他模式均处于宇称时间对称状态，其模场的能量均匀地分布于填充增益材料和损耗材料的空气孔中。
参阅图4所示，为当空气芯中填充材料折射率为1.37时微腔激光器在4.8μm-5.2μm范围内的发射光谱图，可以看到输出激光具有很好的单模特性。参阅图5所示，为微腔激光器激射波长随空气芯中填充光学功能材料折射率的变化曲线图。光学功能材料折射率变化范围为1.33-1.37，可以看到光学功能材料折射率的改变会引起激射波长的移动，其调谐灵敏度为1.623nm/RIU。
参阅图6所示，为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤外壁厚度的变化曲线图。可以看到激光激射波长随外壁厚度的变化灵敏度为-34.598nm/μm。参阅图7所示，为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤空气孔长度的变化曲线图。可以看到随着空气孔长度的增加，其对激射波长的影响逐渐减弱。参阅图8所示，为当空气芯中填充材料折射率为1.37且外径不变时激光器激射波长随ZBLAN光纤空气孔宽度的变化曲线图。可以看到空气包层空芯ZBLAN光纤空气孔宽度的变化对激光激射波长变化的影响灵敏度可达99.855nm/μm。
由以上结果可以看到，虽然空气包层空芯ZBLAN光纤的外壁厚度、空气孔长度，空气孔宽度等的变化均会对激光激射波长产生影响，但这些参数一经光纤拉制完毕便不可改变，而通过对光纤中间的空气芯填充光学功能材料可以实现对激射波长的调谐。
综上所述，本发明所提出的基于量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤的宇称时间对称回音壁模式微腔中红外单模激光器可以实现性能优良的单模激光输出，同时基于光学功能材料折射率的控制还可以实现对激光器输出波长的调谐，在中红外激光领域具有重要的应用价值。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。
Claims (9)
1.量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，该ZBLAN光纤的材料组分为：53mol％ZrF4-20mol％BaF2-4mol％LaF3-3mol％AlF3-20mol％NaF，ZBLAN光纤中间设有一空气芯，周围环绕着一圈空气孔，所述空气孔交替填充折射率实部相等、虚部相反的增益材料和损耗材料；利用微腔结构的连续旋转对称性可以实现无阈值宇称时间对称破缺；所述增益材料为胶体量子点。
2.如权利要求1所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述胶体量子点为硫化汞胶体量子点、硫化铅量子点或碲化汞量子点。
3.如权利要求2所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述硫化汞胶体量子点的制作方法：首先将氯化汞81mg和10mL油酰胺装入50mL圆底烧瓶中，在120℃真空下加热氯化汞油酰胺溶液1小时，然后在氩气中冷却至30℃；快速注入0.3mL新制备的溶解于油酰胺中的1mol/L硫代乙酰胺，溶液立即呈现黑色，表明有硫化汞生成，在30分钟到1小时之间，反应结束；将上述溶液转移到体积当量分别为10％的十二硫醇与1％的三辛基膦的四氯乙烯溶液中停止反应，得到的硫化汞胶体量子点溶液即可作为增益材料填充入ZBLAN光纤的包层空气孔中。
4.如权利要求2所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述硫化汞胶体量子点材料的折射率实部为1.50566，折射率虚部为-0.005；损耗材料的折射率实部同为1.50566，折射率虚部为0.005。
5.如权利要求1所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述损耗材料为液晶材料。
6.如权利要求1所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述空气芯填充光学功能材料。
7.如权利要求1所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述空气芯内填充折射率范围在1.33-1.37之间调谐的光学功能材料。
8.如权利要求1所述的量子点填充的空气包层空芯ZBLAN光纤，其特征在于，所述空气芯半径为14.75μm，空气孔的宽度为0.51μm，空气孔长度为2.95μm，空气孔间壁厚为0.34μm，空气孔距内芯与外壁的距离均为1μm。
9.中红外单模激光器，其特征在于，包括权利要求1-8任一项所述的空气包层空芯ZBLAN光纤、普通ZBLAN光纤和泵浦激光器，泵浦激光器发射的激光以自由空间光的形式照射到空气包层空芯ZBLAN光纤上，空气包层空芯ZBLAN光纤中的模式将会同时经历增益与损耗，最终模场全部分布于增益腔中的模式将产生中红外单模激光并经由普通ZBLAN光纤耦合输出；普通ZBLAN光纤和空气包层空芯ZBLAN光纤是相互垂直放置的。
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