液滴回音壁模式激光器及其制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種激光器，屬于一種微光學(xué)器件。具體地說(shuō)是一種環(huán)形芯光纖光鑷捕獲液體微滴的回音壁模式激光器。本發(fā)明也涉及的是一種激光器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光光源在現(xiàn)代光通訊領(lǐng)域中作用舉足輕重，為了提高熱穩(wěn)定性，節(jié)省能源，需求制作出在紅外通信波段的低閾值激光器。微球腔能把光場(chǎng)束縛在微米或者亞微米量級(jí)的極小區(qū)域中，選擇一個(gè)或者某幾個(gè)特殊的光學(xué)模式，從而增加腔體諧振模式的態(tài)密度。同時(shí)微腔本身具有極高的Q值和很小的模式體積，用作激光諧振腔，可以有效降低激光器的閾值，產(chǎn)生的光場(chǎng)強(qiáng)度高，壽命長(zhǎng)，可以廣泛應(yīng)用于低閾值激光器領(lǐng)域。回音壁模式微腔由高折射率的腔體和低折射率的包覆層組成，光場(chǎng)在腔體界面經(jīng)過(guò)多次全反射，實(shí)現(xiàn)位相相干增強(qiáng)而產(chǎn)生穩(wěn)定的行波模式，具有封閉光效率高、成本低、工藝簡(jiǎn)單、不受材料限制、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0003]1977 年，Ashkin (Phys Rev Lett, 1977，38(23):1351 - 1354)等人在操控微小球形水滴的光鑷實(shí)驗(yàn)中首次觀測(cè)到回音壁模式造成的輻射壓力增強(qiáng)效應(yīng)。Chang(Phys RevLett, 1980，44:475 - 478)研宄小組于1980年在摻雜染料的聚合物微球的熒光光譜中觀測(cè)到高Q回音壁模式對(duì)應(yīng)的諧振峰。錢士雄(Science, 1986，231:486 - 488)在球形液滴中實(shí)現(xiàn)了低閾值激光器。但是，這些方案不能穩(wěn)定的控制液滴，無(wú)法穩(wěn)定輸出激光，限制了光學(xué)回音壁模式激光器的進(jìn)一步發(fā)展。
[0004]1989 年，Braginsky (Phys Lett A, 1989，137:393 - 397)等人通過(guò)燒融玻璃光纖，制備出固態(tài)玻璃微球腔，并證明直徑150 μm的球腔中Q值高達(dá)108。1990年，王育竹(中國(guó)激光，1990，19(12):716)等人首次在Nd玻璃微球腔中觀測(cè)到腔內(nèi)原子自發(fā)輻射概率增強(qiáng)約1000倍，并實(shí)現(xiàn)881nm的激光。姜校順等公布了一種芯片集成的氧化硅微球激光器(公開(kāi)號(hào):CN103001117A)，利用二氧化碳激光器對(duì)制備的氧化硅微盤(pán)進(jìn)行加熱回流得到氧化硅微球，將微光纖置于氧化硅微球的一側(cè)。但是，這些方案中的固態(tài)微球表面無(wú)法像依靠表面張力的液滴微球一樣完美，固態(tài)微腔表面在實(shí)際工藝中也不可能處理得絕對(duì)平滑，上面有很多微小的起伏，使得光場(chǎng)在表面上產(chǎn)生散射，造成損耗。此外，固態(tài)微球存在制作工藝復(fù)雜，成本高，直徑小的高Q值固態(tài)微球更是難以制作等問(wèn)題。
[0005]另一方面，微納加工技術(shù)和半導(dǎo)體工藝的發(fā)展促進(jìn)了光學(xué)微腔的發(fā)展。1992年，McCall(Appl Phys Lett, 1992，60:289 - 291)等人在半導(dǎo)體芯片上制備出微盤(pán)腔，進(jìn)一步減小了微腔的尺寸，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)光泵浦和電注入的低閾值激光器。Moon(Phys RevLett, 2000, 85:3161 - 3164)等用石英光纖構(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(shí)現(xiàn)了 Q值達(dá)3X107的激光輸出。但是，使用微盤(pán)、微柱微腔的回音壁模式激光器與球形微腔相比，球形微腔的優(yōu)越性在于無(wú)論光從球的哪一點(diǎn)入射，只要角度合適都可以實(shí)現(xiàn)沿球的赤道的全反射傳播，而微盤(pán)、微柱則對(duì)入射光的方向有較高的要求。此夕卜，小尺寸的微盤(pán)、微柱微腔仍然存在表面無(wú)法像液滴表面一樣完美的問(wèn)題。
[0006]綜上所述，回音壁模式微腔激光器具有高Q值、低閾值、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，在微光學(xué)器件領(lǐng)域有巨大應(yīng)用潛力。目前液滴微球腔激光器方案不能穩(wěn)定的控制液滴，無(wú)法穩(wěn)定輸出激光，而固態(tài)微球腔又存在表面微小的起伏造成損耗、制作工藝復(fù)雜、直徑小的高Q值固態(tài)微球難以制作等問(wèn)題。固態(tài)微盤(pán)、微柱腔雖然出現(xiàn)了更小尺寸，但存在對(duì)入射光的方向有較高的要求，表面不完美等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于提供一種能夠穩(wěn)定輸出激光、具有極低的閾值的液滴回音壁模式激光器。本發(fā)明的目的還在于提供一種液滴回音壁模式激光器的制備方法。
[0008]本發(fā)明的液滴回音壁模式激光器的組成為:中間加工有錐區(qū)的第一單模光纖的前端與泵浦光源連接、后端與光譜儀連接，第二單模光纖的后端連接捕獲光源、前端通過(guò)光纖耦合區(qū)耦合連接環(huán)形芯光纖的后端，環(huán)形芯光纖的前端加工成圓錐臺(tái)形光纖尖，捕獲光源出射的激光束經(jīng)第二單模光纖通過(guò)光纖耦合區(qū)注入到環(huán)形芯光纖的纖芯中，光在環(huán)形芯光纖圓錐臺(tái)形光纖尖斜面處發(fā)生全反射和折射，在圓錐臺(tái)形光纖尖附近形成環(huán)形匯聚光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光鑷功能，所述光鑷穩(wěn)定捕獲摻雜有激光染料的液晶微液滴，將捕獲的液晶微液滴靠近第一單模光纖的錐區(qū)，泵浦光源從第一單模光纖的前端注入，光譜儀在第一單模光纖的后端檢測(cè)激發(fā)的激光。
[0009]本發(fā)明的液滴回音壁模式激光器還可以包括
[0010]1、所述的捕獲光源的波長(zhǎng)是633nm、532nm、750nm或980nm。
[0011]2、所述的環(huán)形芯光纖的環(huán)形芯位置關(guān)于光纖主軸對(duì)稱，并處于同一內(nèi)外包層中。
[0012]3、所述的摻雜有激光染料的液晶微液滴的直徑為10 μ m-50 μ m，摻雜的激光染料是 DCM 或 LDS。
[0013]4、所述的第一單模光纖的錐區(qū)直徑為I μπι-2 μπι。
[0014]本發(fā)明的液滴回音壁模式激光器的制備方法為:
[0015]利用光纖熔接機(jī)將單模光纖的前端和環(huán)形芯光纖的后端中心對(duì)準(zhǔn)并焊接，在焊點(diǎn)處進(jìn)行熱熔融拉錐至環(huán)形芯光纖中可以穩(wěn)定傳輸捕獲光，通過(guò)光纖端面研磨法將環(huán)形芯光纖的前端面加工成圓錐臺(tái)形光纖尖，形成環(huán)形芯光纖光鑷，在顯微鏡下捕獲水中摻雜有激光染料的液晶微液滴，并靠近通過(guò)熱拉錐獲得的錐形錐區(qū)的第一單模光纖的錐區(qū)，即形成液滴回音壁模式激光器。
[0016]本發(fā)明的液滴回音壁模式激光器的制備方法還可以包括:
[0017]1、所述摻雜有激光染料的液晶是按質(zhì)量比1:100的比例將激光染料與液晶混合后超聲振蕩30分鐘所得到的。
[0018]2、所述液晶微液滴是用移液器將摻雜有激光染料的液晶液體加入蒸餾水中，通過(guò)超聲振蕩的方式產(chǎn)生的。
[0019]3、所述圓錐臺(tái)形光纖尖是利用光纖端研磨技術(shù)將環(huán)形芯光纖前端研磨成α =17°的圓錐臺(tái)，研磨深度為102 μm。
[0020]本發(fā)明提供了一種由表面張力形成完美表面的高Q值液滴微球腔，采用環(huán)形芯光纖光鑷穩(wěn)定控制液滴微球，并通過(guò)高耦合效率的光纖錐進(jìn)行泵浦光注入和發(fā)射激光收集的液滴回音壁模式激光器，該激光器具有極低的閾值。
[0021]本發(fā)明是基于如下原理設(shè)計(jì)的:
[0022]英國(guó)科學(xué)家Lord Rayleigh研宄聲音在彎曲的圣保羅大教堂走廊上傳播時(shí)，發(fā)現(xiàn)可以清晰地聽(tīng)見(jiàn)與自己相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)人在回廊的另外一端的竊竊私語(yǔ)，所以這個(gè)聲音傳播的模式被稱為“耳語(yǔ)回廊模式”。事實(shí)上，在北京天壇的回音壁也有類似的現(xiàn)象。類似于聲波在墻面反射，當(dāng)光在從光密向光疏介質(zhì)入射且入射角足夠大時(shí)，也可以在兩種介質(zhì)表面發(fā)生全反射，那么在彎曲的高折射率介質(zhì)界面也存在光學(xué)回音壁模式。在閉合腔體的邊界內(nèi)，光則可以一直被囚禁在腔體內(nèi)部保持穩(wěn)定的行波傳輸模式。圖2(a)和圖2(b)展示了微球腔內(nèi)的光線傳播及微球腔赤道平面的上回音壁模式的模場(chǎng)分布。
[0023]由于光可以很好的限制在微腔的內(nèi)部，所以這種回音壁模式有很高的Q值，微球腔回音壁模式激光器具有封閉光效率高、低閾值、成本低、工藝簡(jiǎn)單、不受材料限制、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0024]通過(guò)對(duì)環(huán)形芯光纖端的研磨加工，將環(huán)形芯光纖端面加工成對(duì)稱的圓錐臺(tái)，如圖5所示，環(huán)形芯光纖中的光在端面圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)斜面5-1處發(fā)生全反射，全反射的光在端面圓錐臺(tái)結(jié)構(gòu)頂面5-2處發(fā)生折射后出射，形成環(huán)形交叉光場(chǎng)。環(huán)形交叉光場(chǎng)在環(huán)形芯光纖圓錐臺(tái)形光纖尖附近5-3交匯，交匯處形成一個(gè)三維光學(xué)梯度力勢(shì)阱，構(gòu)成三維捕獲力大的環(huán)形芯光纖光鑷，可實(shí)現(xiàn)微液滴的三維捕獲及操縱。
[0025]回音壁模式的圓對(duì)稱微腔中光學(xué)模場(chǎng)受到全反射限制，激光出射只能沿著其切線方向，依靠倏逝波的泄漏在平面內(nèi)各向同性出射，這就導(dǎo)致激光輸出功率低和收集能效低等問(wèn)題。為了解決回音壁模式激光的方向性出射問(wèn)題，各國(guó)研宄人員提出了不同的方案，其中包括波導(dǎo)耦合、光纖錐耦合、棱鏡耦合和各種變形微腔的設(shè)計(jì)等。用光學(xué)微球腔與錐形光纖進(jìn)行耦合是激發(fā)微球腔中回音壁模式的常用方法，其耦合效率大于95%。微球光纖錐耦合系統(tǒng)的耦合狀況受兩者間距的影響很大，在進(jìn)行耦合時(shí)需要保持耦合穩(wěn)定。本發(fā)明通過(guò)使用環(huán)形芯光纖光鑷穩(wěn)定操縱液晶微液滴靠近錐形光纖錐區(qū)，并穩(wěn)定在最優(yōu)耦合條件距離處。圖6展示了液滴回音壁模式與拉錐光纖耦合示意圖。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0027]1、利用