CN113725707B - 一种单向出射的缺陷卵形微腔及激光器 - Google Patents

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卵形微腔及激光器。一种单向出射的缺陷卵形微腔，所述的卵形微腔由左右两个长半轴不等、短半轴相等的半椭圆微腔组成，所述卵形微腔的边缘设有一个缺口。本发明还提供一种包含所述缺陷卵形微腔的激光器，能够在可见光波段实现单向出射，远场发散角不大于3°，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

一种单向出射的缺陷卵形微腔及激光器

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卵形微腔及激光器。

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，微腔激光器的单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单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卵形微腔激光器，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，并且通过在微腔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卵形微腔，所述的卵形微腔由左右两个长半轴不等、短半轴相等的半椭圆微腔组成；所述卵形微腔的边缘设有一个缺口。

进一步优选地，所述卵形微腔中，右侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.8～0.82，左侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.9～1.1。

进一步优选的，左侧的半椭圆微腔的长半轴与短半轴长度相等。

进一步优选地，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缺陷卵形微腔的边缘相切，切点位于缺口的长轴与卵形微腔的边缘交点处。

进一步优选地，所述卵形微腔的出射光波长在可见光波段的536nm。

进一步优选地，所述的卵形微腔为卵圆形微盘或卵体形微球。

进一步优选地，所述的卵形微腔是利用掺杂了染料的交联聚合物材料制备而成；所述的交联聚合物材料为IP-Dip树脂。

进一步优选地，所述的染料为Coumarin 540A；所述染料的掺杂量为5wt％。

本发明还提供一种包含所述缺陷卵形微腔的激光器。

本发明提供的单向出射的缺陷卵形微腔及激光器，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卵形微腔及激光器可广泛应用于生物医学及环境检测等领域。

(2)本发明提供的激光器，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)本发明提供的缺陷卵形微腔及激光器能够实现高品质的回音壁模式在可见光波段的单向出射，远场发散角不大于3°，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单向出射的缺陷卵形微腔激光器的示意图；

图2是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔的俯视图；

图3是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔为卵圆形微盘时的正面视图；

图4是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔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卵形微腔为卵圆形微盘时在可见光波段的谐振光谱图；

图6是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔为卵圆形微盘时的远场发散角图；

图7是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔分别为卵圆形微盘和卵体形微球时的出射效率随谐振波长的变化情况图；

图8是本发明提供的一种单向出射的缺陷卵形微腔为卵体形微球时在可见光波段的谐振光谱图以及远场发散角图。

具体实施方式

本发明提供的单向出射的缺陷卵形微腔，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，总可以找到一个椭圆(以下称为辅助椭圆)，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.Mathematicaltheory of 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。如图2所示，在该辅助椭圆A内设计一个带有缺口的椭圆微盘B，使缺口正好位于辅助椭圆A的焦点O处，因此自缺口入射的光，会在缺口对侧的边缘上平行出射。其中r(θ)为椭圆微盘上任一点到O点的距离，R(θ)为辅助椭圆上任一点到O点的距离。为了获得最佳的效果，椭圆微盘B的边缘要尽可能地接近辅助椭圆A，也就是认为R(θ)-r(θ)可忽略，即|R(θ)-r(θ)|/R(θ)≈1％时，在角度θ范围内的光都满足上述的聚焦效应。如图2所示，卵圆形微盘C由左、右两个长径比不同的半椭圆组成，其中a₁和b分别表示右侧半椭圆的长半轴和短半轴的长度，a₂和b分别表示左侧半椭圆的长半轴和短半轴的长度，两个半椭圆具有相同的短半轴b，以便实现平滑的过渡。两个半椭圆的变形参数分别为：ε₁＝b/a₁和ε₂＝b/a₂。可见，卵圆形微盘C可以比椭圆微盘B具有更大的角度θ’，也就是说可以使更多的光满足聚焦效应，从而提高定向出射的效率。另外，如上所述，卵圆形微盘C的右侧半椭圆应与辅助椭圆A重合，即具有相同的变形参数ε₁。要实现最强的单向出射，微腔的变形参数与材料折射率之间必须满足以下关系

才能够获得最大的角θ，实现最高的出射效率。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ε₁＝0.819。通过优化设计，本发明得到左侧半椭圆的最佳变形参数ε₂为0.9～1.1。本发明提供的缺陷卵形微腔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PhotonicProfessional GT 3D打印机制成的。该缺陷卵形微腔在泵浦光源的照射下，泵浦光会沿着微腔内壁进行传播，如果满足谐振条件：Cn_eff＝mλ(其中C为微腔外壁周长；n_eff是微腔的有效折射率，此处可近似为微腔材料的折射率；m为谐振级次；λ为第m级次的谐振波长)，光会在缺陷微腔中得到相干加强，从而形成高品质的回音壁模式。由于微腔边缘缺陷的存在，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聚合物卵形微腔，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本实施例提供的单向出射的缺陷卵形微腔激光器及缺陷卵形微腔，如图1所示，包括泵浦光源1、衬底2、卵形微腔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。卵形微腔3为一个回音壁模式光学微腔，设置在衬底2上。光谱仪4为可见光谱仪。

泵浦光源1的作用是向卵形微腔3的缺口一侧入射泵浦光，照射中心在缺口5的中心。卵形微腔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的作用是在微腔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是本实施例中的卵形微腔3俯视图。如图所示，卵形微腔3由左、右两个长半轴不等、短半轴相等的半椭圆微腔组成。右侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.8～0.82，左侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.9～1.1。

作为本发明一种优选的实施例，左侧的半椭圆微腔的长半轴长度与短半轴长度相等，右侧的半椭圆微腔的短半轴长度与左侧的半椭圆微腔的长半轴长度相等，以实现边缘的平滑过渡。

如图2和3所示，在卵形微腔3左侧半椭圆的长半轴与其边缘的交点处有一个缺口5。缺口的形状为半个标准椭球形，赤道半径分别为0.3μm和0.25μm，极半径为0.25μm。缺口5的长轴与卵形微腔3的长轴在一条直线上。缺口的极半径与缺陷卵形微腔的边缘相切，切点位于缺口的长轴与卵形微腔的边缘交点处。此结构的好处在于，便于泵浦光耦合进微腔，经过微腔内光与物质的相互作用，可以形成高品质的回音壁模式，如图4所示。

本实施例的卵形微腔3是利用掺杂了Coumarin 540A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Coumarin 540A的掺杂量为5wt％。

本实施例的卵形微腔3在泵浦光源1的照射下，泵浦光会沿着微腔内壁进行传播，如果满足谐振条件：Cn_eff＝mλ(其中C为微腔外壁周长；n_eff是微腔的有效折射率，此处可近似为微腔材料的折射率；m为谐振级次；λ为第m级次的谐振波长)，光会在卵形微腔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100级(即m＝100)的536nm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。由于卵形微腔3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是本实施例的卵形微腔为卵圆形微盘时的远场场强分布图，如图所示，本实施例的卵圆形微盘在该谐振波长下的远场发散角只有3°。

实施例2本实施例提供的缺陷卵形微腔为一个带有半个椭球缺口的卵体形微球，其形状类似横放的鸡蛋，如图8中(a)所示，缺口位于较大的一端。

图7是本实施例提供的卵形微腔3分别为卵圆形微盘和卵体形微球时的出射效率随谐振波长的变化情况图。由图可知，卵体形微球的出射效率高于卵圆形微盘,最高的出射效率达到93％。

如图8所示，本实施例的卵体形微腔在536nm处有最高的谐振峰，如图8中(d)所示。本实施例的卵体形微球在该谐振波长下的远场发散角只有2.5°，如图8中(b)、(c)所示。

Claims (7)

1.一种单向出射的缺陷卵形微腔，其特征在于：所述的卵形微腔由左右两个长半轴不等、短半轴相等的半椭圆微腔组成，所述卵形微腔的边缘设有一个缺口；所述卵形微腔中，右侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.80~0.82，左侧的半椭圆微腔的短半轴与长半轴之比为0.9~1.1。

2.根据权利要求1所述的单向出射的缺陷卵形微腔，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缺陷卵形微腔的边缘相切，切点位于缺口的长轴与卵形微腔的边缘交点处。

3.根据权利要求1或2所述的单向出射的缺陷卵形微腔，其特征在于：所述卵形微腔的出射光波长在可见光波段的536nm。

4.根据权利要求1或2所述的单向出射的缺陷卵形微腔，其特征在于：所述的卵形微腔为卵圆形微盘或卵体形微球。

5.根据权利要求4所述的单向出射的缺陷卵形微腔，其特征在于：所述的卵形微腔是利用掺杂了染料的交联聚合物材料制备而成；所述的交联聚合物材料为IP-Dip树脂。

6.根据权利要求5 所述的单向出射的缺陷卵形微腔，其特征在于：所述的染料为Coumarin 540 A；所述染料的掺杂量为5wt%。

7.一种单向出射的激光器，其特征在于：包括如权利要求1、2、5、6中任一项所述的缺陷卵形微腔。

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