專利名稱：：倏逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁模式光纖激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于激光及波導(dǎo)光學(xué)
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及用光抽運方式，通過抽運光的倏逝波激勵增益、回音壁模式的倏逝場耦合增益，在一根光纖中同時產(chǎn)生不同波長范圍的回音壁模式激光輻射。
背景技術(shù)：
：以高品質(zhì)因素(Q值)的回音壁模式為特點光學(xué)微腔，在低閾值和超低閾值的微腔激光研究和應(yīng)用中受到高度重視。傳統(tǒng)的球形和圓柱形回音壁模式微腔激光器，腔體本身就是增益介質(zhì)，由于增益介質(zhì)在抽運過程中的熱致折射率變化和電致伸縮等效應(yīng)，增益介質(zhì)和腔體合二為一的結(jié)構(gòu)特性不利于腔體的穩(wěn)定性。韓國人Moon等人于2000年用石英光纖構(gòu)成圓柱形微腔，將光纖插入含有激光染料溶液的石英套管中實現(xiàn)了微腔腔體和增益介質(zhì)的分離(H.J.Moon,Y.T.ChoughandLW.An.—Cylindricalmicrocavitylaserbasedontheevanescent-wave—coupledgain[J]，Ze〃.2000,85(15):3161-3164)。在YAG脈沖激光的抽運下，染料介質(zhì)的增益通過微腔回音壁模式的倏逝場耦合進入腔內(nèi)，并在微腔回音壁模式的支持下形成激光振蕩(H.J.Moon，Y.T.ChoughandJ.B.Kima/..Cavity-Q-drivenspectralshiftinacylindricalwhisperingGallery-modemicrocavitylaser[J],J///,Ze〃.2000，76(25):3679~3681;H.J.Moon,C.W.Park,S.B.Leea/..Waveguidemodelasingviaevanescent—wave—coupledgainfromathincylindricalshellresonator[J]，銣/.Ze".2004，84(22):4547~4549)。然而，采用Moon等人的側(cè)向光抽運方式，抽運光須經(jīng)過外層染料吸收后才能激發(fā)處于微腔回音壁模式的倏逝場內(nèi)的染料分子，倏逝場外的染料分子徒然損耗了抽運光能量，增大了產(chǎn)生回音壁模式激光的抽運閾值，使這種微腔回音壁模式的激光抽運閾值達到200pj。為提高抽運效率，我們把側(cè)向光抽運改造為沿石英毛細管管壁的近軸向消逝波光抽運(江楠，王東林，普小云，消逝波激勵及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光輻射[J],^庫激^，2007,34(7):920~923),由此，將回音壁才莫式激光的抽運閾值從側(cè)向光抽運方式的200降低到了近軸向光抽運方式的9.5pJ。采用近軸向的消逝波光抽運方式，抽運光在圓柱形微腔界面外的消逝場激勵產(chǎn)生染料增益，由于染料的增益分布和微腔WGM的消逝場在空間理想重疊，有效地提高了抽運效率，并使WGM激光沿微腔軸向具有較長的增益長度。本發(fā)明用單一折射率的光纖構(gòu)成圓柱形微腔，利用回音壁模式激光沿光纖軸向的增益長度，在光纖的軸向分段填入不同的激光增益介質(zhì)，在一根光纖中同時產(chǎn)生不同波長范圍的回音壁模式激光輻射，形成一種新型的光纖激光器—倏逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁才莫式光纖激光器。"回音壁模式"和"倏逝波"的概念有不同的中文翻譯，在以下術(shù)語中，"回音壁模式"的英文是"WhisperingGalleryMode",簡稱WGM;"倏逝波"的英文是"EvanescentWave"。如有用詞含混，以英文詞意為準(zhǔn)。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種多波段的回音壁模式光纖激光器，這種回音壁模式光纖激光器具有較高的光抽運效率和沿光纖軸向較長的增益長度，在光纖軸向分段填入不同的激光增益介質(zhì)后，可以在一;f艮光纖中同時產(chǎn)生不同波長范圍的回音壁;f莫式激光輻射。本發(fā)明通過以下方式實現(xiàn)A.將單一折射率(/2,)的光纖外層涂敷上低折射率(/2)的增益包層介質(zhì)后構(gòu)成圓柱形樹:腔，/,>/22,增益包層介質(zhì)可以是激光染料分子溶入有機或無機溶劑后形成的溶液，也可以是含有激光增益物質(zhì)的聚合物或其它形式的化合物。B.采用沿光纖軸向或近軸向的光抽運方式，通過控制抽運光進入光纖端面的入射角度，使得抽運光在光纖中以全反射方式傳播。C.由抽運光在低折射率(/2)的增益包層介質(zhì)中的倏逝波激勵產(chǎn)生激光增益，圓柱形微腔回音壁模式倏逝場中的光子在增益介質(zhì)中產(chǎn)生受激輻射光子，回音壁模式的倏逝場再將受激輻射光耦合進入圓柱形微腔，在圓柱形微腔回音壁模式提供的光學(xué)反饋支持下形成激光振蕩，激光輻射方向沿光纖邊緣并且垂直于光纖軸向。D.在光纖外層分段涂敷上不同的增益包層介質(zhì)，由抽運光的倏逝波激勵增益、圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場耦合增益條件下，同時形成多個波段的激光振蕩和多個波段的回音壁^t式激光輻射。F.用下述計算方法，通過選擇適當(dāng)?shù)幕匾舯谀Ｊ焦饫w激光器參數(shù)，使激光增益場的分布和圓柱形微腔回音壁;f莫式倏逝場的分布在空間理想重疊。F-l.圓柱形微腔回音壁模式倏逝場的空間分布計算<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，A(TM波)或乾(TE波)表示圓柱形微腔回音壁模式的軸向電場或磁場；"為徑向模式數(shù)和角模式數(shù)分別是/和/7均為正整數(shù)的真空中的波矢數(shù)值；人和i/;;"分別是第一類和第三類Bessel函數(shù)；5是常數(shù)；z,和/72分別是光纖和增益包層的折射率，/)化；a是光纖的半徑；F-2.抽運光倏逝場的空間分布計算(說明在軸向抽運條件下，激光增益由抽運光在光纖界面外的倏逝場激勵產(chǎn)生，增益場的空間分布就是抽運光倏逝場的空間分布)/p(rW。exp(-2W.(3)式中，*=2加2從為抽運光在染料介質(zhì)中的波矢數(shù)值；人是抽運光的波長；p=V"fsin2(《/2)/&2-1是倏逝場沿徑向的衰減系數(shù)；通過(1)-(3)式選擇適當(dāng)?shù)?a，a,/2,義和Pi，使激光增益場的分布和圓柱形微腔回音壁模式倏逝場的分布在空間理想重疊。下面結(jié)合發(fā)明原理示意i說明本發(fā)明的實現(xiàn)方式。抽運光i以端面入射角(e;)小于光線在增益包層5、6、7界面發(fā)生全反射時需要的角度(ej沿光纖軸向進入單一折射率光纖2,抽運光1在增益包層5、6、7中的倏逝場3激勵包層介質(zhì)產(chǎn)生增益，圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場4中的光子在增益包層5、6、7中產(chǎn)生受激輻射，并將受激輻射光耦合進入由單一折射率的光纖2構(gòu)成的圓柱形微腔，在圓柱形微腔回音壁模式的支持下，形成三個波段的激光振蕩和對應(yīng)的三個波段的回音壁模式激光輻射8、9、10。與傳統(tǒng)的光纖激光器比較，本發(fā)明具有如下積極效果(1)傳統(tǒng)的光纖激光器屬于法布里-珀羅腔型激光器，激光沿光纖軸向輻射。然而，回音壁模式光纖激光器的激光沿垂直于光纖軸的方向輻射，這種特殊的輻射方向適用于對激光輻射方向有特殊要求的應(yīng)用場所。(2)傳統(tǒng)光纖激光器的光學(xué)反饋，主務(wù)限靠光纖端面對光波的反射來實現(xiàn)。然而，回音壁模式光纖激光器的光學(xué)反饋，依靠光波在光纖界面上的全反射來實現(xiàn)，光能在界面上的損耗小，腔體的品質(zhì)因數(shù)(Q值)高，產(chǎn)生激光的能量抽運閾值低。(3)由抽運光的倐逝波激勵的回音壁模式光纖激光器，沿光纖軸向有足夠的增益長度?？梢岳霉饫w軸向的增益長度，制作具有多個不同激光輻射波長范圍的多波段回音壁沖莫式光纖激光器。多波段的光纖激光器，如"紅-綠-藍"三色光纖激光器，在激光全色顯示領(lǐng)域有應(yīng)用價值。圖1:發(fā)明原理示意圖，其中，抽運光l,單一折射率光纖2，抽運光在增益介質(zhì)中的^"逝場3，圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場4,低折射率的激光增益包層5、6、7,三種不同輻射波段的回音壁模式激光輻射8、9、10。圖1中各個部分的作用在"
發(fā)明內(nèi)容"中具體說明。圖2:實現(xiàn)本發(fā)明的一種裝置圖。其中，YAG激光器ll、光學(xué)偏振片12、13、分束片14、光電探測器15、聚焦透鏡16、單一折射率光纖2、填入低折射率染料溶液的玻璃套管5、6、傳光光纖17、18、光譜儀19、抽運光在增益介質(zhì)中的倏逝場3、圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場4、回音壁模式的激光輻射8。圖2中各個部分的作用在"具體實施方式"中具體說明。圖3:通過圖2所示的裝置，采集到的中等光語分辨率單波段回音壁模式激光光譜圖。其中，橫坐標(biāo)為波長，單位是納米；縱坐標(biāo)為激光輻射強度，單位是任意單位；括號內(nèi)的數(shù)字是標(biāo)定后的回音壁激光模式數(shù)。右上角的插圖是激光輻射強度隨抽運能量變化的曲線圖，其中，橫坐標(biāo)為抽運光能量，單位是微焦耳；縱坐標(biāo)為激光輻射強度，單位是任意單位。圖4:圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場和激光增益場分布計算圖。其中，橫坐標(biāo)是圓柱形微腔沿徑向的長度，單位是微腔的半徑(a);縱坐標(biāo)是圓柱形微腔回音壁模式的場強度，單位是任意單位；粗實線表示一階徑向模式(7=1)的回音壁模式的場強分布，細實線表示二階徑向模式(/=2)的回音壁模式的場強分布。在右上角的插圖中，粗實線表示一階徑向模式(/=1)回音壁模式的倏逝波場強分布，細實線表示二階徑向模式(/=2)的回音壁模式的倏逝波場強分布；三角形符號A表示激光增益場分布。圖5:通過圖2所示的裝置，采集到的不同直徑的光纖的中等光譜分辨率單波段回音壁模式激光光谫圖，其中，橫坐標(biāo)為波長，單位是納米；縱坐標(biāo)為激光輻射強度，單位是任意單位。圖6:通過圖2所示的裝置，采集到的雙波段低分辨率回音壁模式激光光譜圖。其中，橫坐標(biāo)為波長，單位是納米;縱坐標(biāo)為激光輻射強度，單位是任意單位。圖6中，波長范圍內(nèi)在567-576nm之間的回音壁模式的激光輻射由羅丹明6G乙醇溶液產(chǎn)生；波長范圍內(nèi)在592-600nm之間的回音壁模式的激光輻射由羅丹明B乙醇溶液產(chǎn)生。本發(fā)明方法和裝置不受以下實施例的限制。具體實施方式下面結(jié)合附圖2-6，對本發(fā)明作進一步的"^兌明。實施例中的裝置如圖2所示。用倍頻YAG激光器11波長為532nm的脈沖激光作為抽運光。抽運光經(jīng)一線偏振片12起偏后，再經(jīng)過另一線偏振片13,13的偏振方向平行于Y-Z面。旋轉(zhuǎn)12的偏振方向，來獲得需要的抽運能量。在光路中放置分束片14，以便由激光能量計15測出即時抽運能量。抽運光由一塊焦距為75咖的聚焦透鏡16會聚在光纖端面前，并以6i-7.6。的圓錐角沿軸線進入直徑為286.1的單一折射率石英光纖2。光纖2插入玻璃套管5和6中，玻璃套管中盛裝不同激光染料的乙醇溶液。取石英光纖和乙醇溶液的折射率分別為1.458和1.36計算，抽運光進入光纖端面的圓錐角只需小于6;。=30.2°，光線進入5、6或7后以全反射方式傳播。抽運光在乙醇溶液中的消逝場3激勵染料產(chǎn)生增益，圓柱形微腔回音壁模式的消逝場4中的光子在染料增益中產(chǎn)生受激輻射，并將受激輻射光耦合進入微腔，在回音壁模式的支持下(提供光學(xué)反饋)形成激光振蕩。回音壁模式激光的光能8、9或10從光纖表面沿X-Y平面輻射出來，由導(dǎo)光光纖17和18送至光譜儀19的進光狹縫口。在圖2中，當(dāng)內(nèi)徑())-lmm，長L-120mm的玻璃套管5內(nèi)裝入濃度為2x10—W/L的羅丹明B乙醇溶液時，采用消逝波軸向抽運方式，抽運能量較低時，只能在石英光纖2外的染料區(qū)觀察到暗紅色的熒光輻射。當(dāng)抽運能量增加到一定的數(shù)值后，沿石英光纖的邊緣出現(xiàn)炫目的紅光。用肉眼沿垂直于光纖的方向(X-Y平面)觀察，此紅光的強度最大；偏離光纖軸的垂向后，強度急劇減弱，沿光纖軸方向不能觀察到紅光?？梢姡遂拍考t光的輻射具有圓柱形微腔回音壁模式激光輻射的方向性特征。用密度為2400g/mm的光柵采集到的中等分辨率激光光譜如圖3所示。光譜由強弱兩組基本等間距的譜線構(gòu)成，分別對應(yīng)一階和二階回音壁模式的徑向模式數(shù)(radialmodeorder,/)和不同的角模式數(shù)(angularmodenumber,/)，用圖中括號內(nèi)的兩個數(shù)字(A/7)分別表示。圖3中右上角的插圖是光輻射強度和抽運能量的關(guān)系曲線，由插圖可見，當(dāng)抽運能量超過IO(iJ時，激光輻射強度急劇增加。10jiJ的抽運能量就是此回音壁模式激光器的閾值能量，對應(yīng)肉眼剛剛觀察到"炫目紅光"時的抽運能量值。取a=143.05^un、z產(chǎn)l.458和/2=1.36分別為圓柱形微腔的半徑、折射率以及增益包層的折射率。由(l)、(2)兩式計算出了(/，z)分別取(l,2174)和(2,2169)時的模場強度/,M("二五(。f'0)分布曲線，結(jié)果如圖4所示。其中，r&的部分就是(1,2174)和(2,2169)模式的倏逝波場強分布，為便于比較，倏逝波部分放大后畫在圖4的右上角插圖中。取1=532nm(抽運光的波長)，&=7.6°，/。=1(抽運光在光纖界面上的強度)，、("的計算結(jié)果在圖4右上角的插圖中用實心三角形符號A表示。圖4中的插圖清楚地表明在r2a區(qū)域，由抽運光的倏逝波激勵產(chǎn)生的增益場分布，和圓柱形微腔(l，2174)和(2，2169)模式消逝場的強度分布在空間理想重疊。選擇不同直徑的光纖重復(fù)圖2所示的實驗，用密度為2400g/mm的光柵采集到的中等分辨率激光光譜如圖5所示。由圖5可見，隨光纖直徑的減小，相鄰激光譜線的間隔增加。如果使光纖直徑小于10拜，完全可以在10nm的增益范圍內(nèi)實現(xiàn)回音壁模式的單模激光振蕩。對直徑D=292、197、93和53薩的石英光纖，相鄰激光譜線的平均波數(shù)間隔分別是Av=7.57、11.35、23.89和42.27cm'。用回音壁模式波數(shù)間隔的一級近似公式A(lA)=1/",兀D(",是光纖的折射率)求出的對應(yīng)波數(shù)間隔分別是A(l/X)=7.48、11.08、23.48和40.43cof'。計算值偏小的原因是計算中僅僅采用了回音壁模式波數(shù)間隔的一級近似公式。隨著抽運能量的增加，回音壁模式激光沿光纖軸向(Z方向)的輻射長度也隨之增加。表一列出了在濃度為2xl(TM/L的羅丹明B乙醇溶液中，D=286.1的石英光纖的輻射長度和抽運能量之間的實驗測量值。利用回音壁模式激光沿光纖軸向的輻射長度(即有效增益長度)，在光纖的軸向分段(圖2中的5和6)填入不同的激光增益介質(zhì)，即可在一根光纖中同時產(chǎn)生不同波長范圍的回音壁模式激光輻射。表一激光輻射長度和抽運之間的實驗測量值<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>在內(nèi)徑和長度分別是<|)=1mm和L=15mm的玻璃套管5和6內(nèi)分別裝入濃度為2x103M/L的羅丹明6G和羅丹明B乙醇溶液，用密度為1200g/mm的光柵采集到的低分辨率激光光譜如圖6所示在一根光纖中同時產(chǎn)生了波長范圍在567~576nm以及592~600nm兩個不同波段的回音壁^f莫式的激光輻射。權(quán)利要求1.倏逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是A.將單一折射率(n1)的光纖外層涂敷上低折射率(n2)的增益包層介質(zhì)后構(gòu)成圓柱形微腔，n1＞n2；B.采用沿光纖軸向或近軸向的光抽運方式，通過控制抽運光進入光纖端面的入射角度，使得抽運光在光纖中以全反射方式傳播；C.由抽運光(1)在低折射率(n2)的增益包層介質(zhì)中的倏逝波激勵產(chǎn)生激光增益，圓柱形微腔回音壁模式倏逝場中的光子在增益介質(zhì)中產(chǎn)生受激輻射光子，回音壁模式的倏逝場再將受激輻射光耦合進入圓柱形微腔，在圓柱形微腔回音壁模式提供的光學(xué)反饋支持下形成激光振蕩，激光輻射方向沿光纖邊緣并且垂直于光纖軸向；D.在光纖外層分段涂敷上不同的增益包層介質(zhì)，由抽運光的倏逝波激勵增益、圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場耦合增益條件下，同時形成多個波段的激光振蕩和多個波段的回音壁模式激光輻射。2.根據(jù)權(quán)利要求l所述倐逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是增益包層介質(zhì)可以是激光染料分子溶入有機或無機溶劑后形成的溶液，也可以是含有激光增益物質(zhì)的聚合物或其它形式的化合物。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述倏逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是圃柱形微腔回音壁模式的軸向電場A,(TM波)或磁場厭(TE波)沿徑向的分布用Bessel函數(shù)表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(1)式中，"為徑向模式數(shù)和角模式數(shù)分別是/和/2均為正整數(shù)的真空中的波矢數(shù)值；《/和//，分別是第一類和第三類Bessel函數(shù)；A是常數(shù)；/，和化分別是光纖和增益包層的折射率，i7,〉力2;a是光纖的半徑；在本發(fā)明倏逝波軸向抽運條件下，激光增益由抽運光在光纖界面外的倏逝場激勵產(chǎn)生，增益場的空間分布就是抽運光倏逝場的空間分布，且抽運光倏逝場沿徑向的空間分布表示為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage2</formula>(3)式中，1^2加2/入為抽運光在染料介質(zhì)中的波矢數(shù)值；X是抽運光的波長；pw,2sin2(《/2)/"22-1是倏逝場沿徑向的衰減系數(shù)；通過(l)-(3)式選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)a,/2,義和^i，使激光增益場的分布和圓柱形微腔回音壁模式倏逝場的分布在空間理想重疊。全文摘要倏逝波激勵及增益耦合的多波段回音壁模式光纖激光器，屬于用軸向或近軸向倏逝波激勵增益，激光增益通過由光纖截面構(gòu)成的圓形諧振腔中回音壁模式的倏逝波耦合進入圓形諧振腔，并在腔內(nèi)回音壁模式提供的光學(xué)反饋支持下產(chǎn)生激光振蕩。這種光纖激光器，由于激光增益分布和諧振腔中回音壁模式的倏逝場在空間理想重疊，具有較高的光抽運效率和沿光纖軸向較長的增益長度。在光纖軸向分段填入不同的激光增益介質(zhì)，可以在一根光纖中同時產(chǎn)生不同波長范圍的回音壁模式激光輻射，這種多波段的光纖激光器在激光全色顯示和微型光電子器件集成領(lǐng)域有應(yīng)用價值。文檔編號H01S3/06GK101267082SQ20081005830公開日2008年9月17日申請日期2008年4月21日優(yōu)先權(quán)日2008年4月21日發(fā)明者向文麗,張遠憲,普小云,楠江,然白,韓德昱申請人:云南大學(xué)