CN114122874B - 一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微腔激光器技术领域，涉及一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器。一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，包括椭圆微盘，所述椭圆微盘其中一侧沿其长轴或/短轴，内旋弯曲。所述弯曲椭圆微盘的边缘设有一个缺口。本发明还提供一种包含所述弯曲椭圆微盘的激光器，通过内旋弯曲实现波长可调的单向出射。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，涉及一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器。
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。而且，对于传统的具有单向出射的回音壁模式微腔结构来说，在结构固定、尺寸固定的情况下，其单向出射的谐振波长也是固定不变的。
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波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器，利用交联聚合物的高韧性、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。利用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，并通过弯曲变形调节出射的谐振波长，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：一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，包括椭圆微盘，包括椭圆微盘，所述椭圆微盘其中一侧沿其长轴或短轴，内旋弯曲。
作为本发明的一种优选方式，内旋角度≤30°。
作为本发明的一种优选方式，所述椭圆微盘的边缘设有缺口；所述缺口位于所述椭圆微盘长半轴和边缘的交点上。
进一步优选地，所述缺口的横截面形状为半个标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.25μm，长半轴为0.3μm；所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴在一条直线上；所述缺口的短轴与椭圆微盘的边缘相切，切点位于缺口的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。
进一步优选地，所述缺口的深度与椭圆微盘的厚度相等。
进一步优选的，所述的弯曲椭圆微盘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弯曲椭圆微盘的激光器。
本发明提供的波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器，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，包括高韧性、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，因此本发明提供的弯曲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)本发明提供的弯曲椭圆微盘及激光器能够实现高品质的回音壁模式单向出射的波长连续可调，并且其远场发散角很小，具有极佳的单向出射能力。
附图说明
图1是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘激光器的示意图；
图2是椭圆微盘的俯视图；
图3是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘上缺口的正视图；
图4(a)和(b)是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘分别沿短轴和长轴内旋弯曲的示意图；
图5(a)和(b)分别是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘弯曲不同角度时，长半轴和短半轴的长度变化示意图。
图6(a)和(b)是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘的回音壁模式分别沿过长轴和短轴中心垂直相交截面上的径向模场分布图；
图7是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘沿短轴内旋弯曲时在不同内旋角度(0°、5°、10°、15°和20°)下的谐振光谱图；
图8是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘沿长轴内旋弯曲时在不同内旋角度(0°、5°、10°、15°和20°)下的谐振光谱图；
图9是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘的谐振波长与不同的内旋角度之间的关系图。
图10是本发明提供的一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，在不同的内旋角度下的远场发散角的强度侧视图和极坐标俯视图。
具体实施方式
本发明提供的波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，其工作原理为：根据Wang,QiJie,Changling Yan,Nanfang Yu,Julia Unterhinninghofen,Jan Wiersig,ChristianPflügl,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(虚线)内设计一个带有缺口的椭圆微盘(实线)，使缺口正好位于辅助椭圆的焦点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，椭圆微盘的边缘要尽可能地接近辅助椭圆，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。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。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NanoscribeGmbH公司基于双光子聚合技术Photonic Professional 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＝mλ(其中C为微腔外壁周长；n是微腔材料的折射率；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波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，可以作为微腔激光器，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本实施例提供的波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘及激光器，如图1所示，包括泵浦光源1、衬底2、弯曲椭圆微盘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。弯曲椭圆微盘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的作用是向弯曲椭圆微盘3的缺口一侧入射泵浦光，照射中心在缺口5的中心。弯曲椭圆微盘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是本实施例中的弯曲椭圆微盘3俯视图。如图所示，弯曲椭圆微盘3由一个标准椭圆，以其长轴或短轴为轴，内旋弯曲而成，其短半轴与长半轴之比为0.819。
如图2和3所示，在弯曲椭圆微盘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5的横截面形状为半个标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.25μm，长半轴为0.3μm；缺口5的长轴与弯曲椭圆微盘3的长轴在一条直线上；所述缺口5的短轴与弯曲椭圆微盘的边缘相切，切点位于缺口的长轴与弯曲椭圆微盘的边缘交点处。
如图4中(a)和(b)所示，弯曲椭圆微盘3分别沿短轴或长轴内旋弯曲一定角度α和β。
如图5所示，以沿y轴(短轴)内旋α角为例，内旋弯曲后椭圆微盘的短半轴不变，长半轴为：
周长为：C'＝2πb+4(a'-b)。根据谐振条件，可以得到弯曲椭圆微盘的谐振波长为：
由此可见，对于特定的椭圆微盘，通过选择合适的内旋角度，可以实现调节回音壁模式谐振波长的目的。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6中(a)和(b)所示。
本实施例的弯曲椭圆微盘3是利用掺杂了Coumarin 540 A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Coumarin 540 A的掺杂量为5wt％。
本实施例的弯曲椭圆微盘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＝mλ(其中C为微腔外壁周长；n是微腔材料的折射率；m为谐振级次；λ为第m级次的谐振波长)，光会在弯曲椭圆微盘3中得到相干加强。
本实施例中，如图7和8所示，弯曲椭圆微盘3的谐振波长在不同的内旋角度α(0°、5°、10°、15°、20°)和β(0°、10°、20°、30°、40°)下会发生红移，红移后的谐振波长随内旋角度的变化情况如图9所示，内旋角度越大，红移后的谐振波长越长。由此可见，通过选择合适的内旋角度，可以实现谐振波长可调，选择所需的谐振波长。如图10所示，在30°以内的内旋角度下，该弯曲椭圆微盘激光器的远场发散角很小，具有极佳的单向出射能力。
Claims (9)
1.一种波长可调的单向出射的弯曲椭圆微盘，其特征在于：包括椭圆微盘，所述椭圆微盘其中一侧沿其长轴或短轴，内旋弯曲；弯曲椭圆微盘的谐振波长为：
、
或者
；其中，α为沿短轴弯曲的角度；β为沿长轴弯曲的角度；C´为弯曲后椭圆微盘的周长；n是微腔材料的折射率；m为谐振级次；a、b分别表示椭圆微盘弯曲前的长半轴、短半轴的长度；a´为弯曲后椭圆微盘的长半轴的长度。
2.根据权利要求1所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：弯曲角度≤30°。
3.根据权利要求2所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述椭圆微盘的边缘设有缺口；所述缺口位于所述椭圆微盘长半轴和边缘的交点上。
4.根据权利要求3所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的横截面形状为半个标准椭圆，所述缺口的短半轴为0.25μm，长半轴为0.3μm；所述缺口的长轴与椭圆微盘的长轴在一条直线上；所述缺口的短轴与椭圆微盘的边缘相切，切点位于缺口的长轴与椭圆微盘的边缘交点处。
5.根据权利要求4所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述缺口的深度与椭圆微盘的厚度相等。
6.根据权利要求1-5任一项所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述的椭圆微盘为标准椭圆。
7.根据权利要求1-5任一项所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述的弯曲椭圆微盘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。
8.根据权利要求7所述的弯曲椭圆微盘，其特征在于：所述的染料为Coumarin 540 A；所述染料的掺杂量为5wt%。
9.一种波长可调的单向出射的激光器，包括如权利要求1-5、8任一项所述的弯曲椭圆微盘。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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