倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式光纤激光器

摘要

倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式光纤激光器，属于用轴向或近轴向倏逝波激励增益，激光增益通过由光纤截面构成的圆形谐振腔中回音壁模式的倏逝波耦合进入圆形谐振腔，并在腔内回音壁模式提供的光学反馈支持下产生激光振荡。这种光纤激光器，由于激光增益分布和谐振腔中回音壁模式的倏逝场在空间理想重叠，具有较高的光抽运效率和沿光纤轴向较长的增益长度。在光纤轴向分段填入不同的激光增益介质，可以在一根光纤中同时产生不同波长范围的回音壁模式激光辐射，这种多波段的光纤激光器在激光全色显示和微型光电子器件集成领域有应用价值。

说明书

所属技术领域

本发明属于激光及波导光学技术领域，涉及用光抽运方式，通过抽运光的倏逝波激励增益、回音壁模式的倏逝场耦合增益，在一根光纤中同时产生不同波长范围的回音壁模式激光辐射。

背景技术

以高品质因素(Q值)的回音壁模式为特点光学微腔，在低阈值和超低阈值的微腔激光研究和应用中受到高度重视。传统的球形和圆柱形回音壁模式微腔激光器，腔体本身就是增益介质，由于增益介质在抽运过程中的热致折射率变化和电致伸缩等效应，增益介质和腔体合二为一的结构特性不利于腔体的稳定性。韩国人Moon等人于2000年用石英光纤构成圆柱形微腔，将光纤插入含有激光染料溶液的石英套管中实现了微腔腔体和增益介质的分离(H.J.Moon，Y.T.Chough and K.W.An.Cylindrical microcavity laserbased on the evanescent-wave-coupled gain[J]，Phys.Rev.Lett.2000，85(15)：3161～3164)。在YAG脉冲激光的抽运下，染料介质的增益通过微腔回音壁模式的倏逝场耦合进入腔内，并在微腔回音壁模式的支持下形成激光振荡(H.J.Moon，Y.T.Chough and J.B.Kim et al..Cavity-Q-driven spectral shift in a cylindrical whispering Gallery-modemicrocavity laser[J]，Appl.Phys.Lett.2000，76(25)：3679～3681；H.J.Moon，C.W.Park，S.B.Lee et al..Waveguide mode lasing via evanescent-wave-coupled gain froma thin cylindrical shell resonator[J]，Appl.Phys.Lett.2004，84(22)：4547～4549)。然而，采用Moon等人的侧向光抽运方式，抽运光须经过外层染料吸收后才能激发处于微腔回音壁模式的倏逝场内的染料分子，倏逝场外的染料分子徒然损耗了抽运光能量，增大了产生回音壁模式激光的抽运阈值，使这种微腔回音壁模式的激光抽运阈值达到200μJ。为提高抽运效率，我们把侧向光抽运改造为沿石英毛细管管壁的近轴向消逝波光抽运(江楠，王东林，普小云，消逝波激励及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光辐射[J]，中国激光，2007，34(7)：920～923)，由此，将回音壁模式激光的抽运阈值从侧向光抽运方式的200μJ降低到了近轴向光抽运方式的9.5μJ。采用近轴向的消逝波光抽运方式，抽运光在圆柱形微腔界面外的消逝场激励产生染料增益，由于染料的增益分布和微腔WGM的消逝场在空间理想重叠，有效地提高了抽运效率，并使WGM激光沿微腔轴向具有较长的增益长度。

本发明用单一折射率的光纤构成圆柱形微腔，利用回音壁模式激光沿光纤轴向的增益长度，在光纤的轴向分段填入不同的激光增益介质，在一根光纤中同时产生不同波长范围的回音壁模式激光辐射，形成一种新型的光纤激光器-倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式光纤激光器。

“回音壁模式”和“倏逝波”的概念有不同的中文翻译，在以下术语中，“回音壁模式”的英文是“Whispering Gallery Mode”，简称：WGM；“倏逝波”的英文是“Evanescent Wave”。如有用词含混，以英文词意为准。

发明内容

本发明旨在提供一种多波段的回音壁模式光纤激光器，这种回音壁模式光纤激光器具有较高的光抽运效率和沿光纤轴向较长的增益长度，在光纤轴向分段填入不同的激光增益介质后，可以在一根光纤中同时产生不同波长范围的回音壁模式激光辐射。

本发明通过以下方式实现：

A.将单一折射率(n₁)的光纤外层涂敷上低折射率(n₂)的增益包层介质后构成圆柱形微腔，n₁＞n₂，增益包层介质可以是激光染料分子溶入有机或无机溶剂后形成的溶液，也可以是含有激光增益物质的聚合物或其它形式的化合物。

B.采用沿光纤轴向或近轴向的光抽运方式，通过控制抽运光进入光纤端面的入射角度，使得抽运光在光纤中以全反射方式传播。

C.由抽运光在低折射率(n₂)的增益包层介质中的倏逝波激励产生激光增益，圆柱形微腔回音壁模式倏逝场中的光子在增益介质中产生受激辐射光子，回音壁模式的倏逝场再将受激辐射光耦合进入圆柱形微腔，在圆柱形微腔回音壁模式提供的光学反馈支持下形成激光振荡，激光辐射方向沿光纤边缘并且垂直于光纤轴向。

D.在光纤外层分段涂敷上不同的增益包层介质，由抽运光的倏逝波激励增益、圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场耦合增益条件下，同时形成多个波段的激光振荡和多个波段的回音壁模式激光辐射。

F.用下述计算方法，通过选择适当的回音壁模式光纤激光器参数，使激光增益场的分布和圆柱形微腔回音壁模式倏逝场的分布在空间理想重叠。

F-1.圆柱形微腔回音壁模式倏逝场的空间分布计算：

$E_z\left(r\right)\left[H_z\left(r\right)\right]=\frac{B}{J_n\left(n_1{k}_n^{l}a\right)}{J}_n\left(n_1{k}_n^{l}r\right),(0\le r\le a)---\left(1\right)$

$E_z\left(r\right)\left[H_z\left(r\right)\right]=\frac{B}{H_n^{\left(1\right)}\left(n_2{k}_n^{l}a\right)}{H}_n^{\left(1\right)}\left(n_2{k}_n^{l}r\right).(r\ge a)---\left(2\right)$

式中，E_z(TM波)或H_z(TE波)表示圆柱形微腔回音壁模式的轴向电场或磁场；k_n¹为径向模式数和角模式数分别是1和n均为正整数的真空中的波矢数值；J_n和H_n⁽¹⁾分别是第一类和第三类Bessel函数；B是常数；n₁和n₂分别是光纤和增益包层的折射率，n₁＞n₂；a是光纤的半径；

F-2.抽运光倏逝场的空间分布计算(说明：在轴向抽运条件下，激光增益由抽运光在光纤界面外的倏逝场激励产生，增益场的空间分布就是抽运光倏逝场的空间分布)：

I_p(r)＝I₀exp(-2kβr).                        (3)

式中，k＝2πn₂/λ为抽运光在染料介质中的波矢数值；λ是抽运光的波长；$\beta =\sqrt{n_1^2{\sin }^2({\theta }_i/2)/n_2^2-1}$是倏逝场沿径向的衰减系数；

通过(1)-(3)式选择适当的参数a，n₁，n₂，λ和θ_i，使激光增益场的分布和圆柱形微腔回音壁模式倏逝场的分布在空间理想重叠。

下面结合发明原理示意图图1说明本发明的实现方式。抽运光1以端面入射角(θ_i)小于光线在增益包层5、6、7界面发生全反射时需要的角度(θ_ic)沿光纤轴向进入单一折射率光纤2，抽运光1在增益包层5、6、7中的倏逝场3激励包层介质产生增益，圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场4中的光子在增益包层5、6、7中产生受激辐射，并将受激辐射光耦合进入由单一折射率的光纤2构成的圆柱形微腔，在圆柱形微腔回音壁模式的支持下，形成三个波段的激光振荡和对应的三个波段的回音壁模式激光辐射8、9、10。

与传统的光纤激光器比较，本发明具有如下积极效果：

(1)传统的光纤激光器属于法布里-珀罗腔型激光器，激光沿光纤轴向辐射。然而，回音壁模式光纤激光器的激光沿垂直于光纤轴的方向辐射，这种特殊的辐射方向适用于对激光辐射方向有特殊要求的应用场所。

(2)传统光纤激光器的光学反馈，主要依靠光纤端面对光波的反射来实现。然而，回音壁模式光纤激光器的光学反馈，依靠光波在光纤界面上的全反射来实现，光能在界面上的损耗小，腔体的品质因数(Q值)高，产生激光的能量抽运阈值低。

(3)由抽运光的倏逝波激励的回音壁模式光纤激光器，沿光纤轴向有足够的增益长度。可以利用光纤轴向的增益长度，制作具有多个不同激光辐射波长范围的多波段回音壁模式光纤激光器。多波段的光纤激光器，如“红-绿-蓝”三色光纤激光器，在激光全色显示领域有应用价值。

附图说明

图1：发明原理示意图，其中，抽运光1，单一折射率光纤2，抽运光在增益介质中的倏逝场3，圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场4，低折射率的激光增益包层5、6、7，三种不同辐射波段的回音壁模式激光辐射8、9、10。图1中各个部分的作用在“发明内容”中具体说明。

图2：实现本发明的一种装置图。其中，YAG激光器11、光学偏振片12、13、分束片14、光电探测器15、聚焦透镜16、单一折射率光纤2、填入低折射率染料溶液的玻璃套管5、6、传光光纤17、18、光谱仪19、抽运光在增益介质中的倏逝场3、圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场4、回音壁模式的激光辐射8。图2中各个部分的作用在“具体实施方式”中具体说明。

图3：通过图2所示的装置，采集到的中等光谱分辨率单波段回音壁模式激光光谱图。其中，横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位；括号内的数字是标定后的回音壁激光模式数。右上角的插图是激光辐射强度随抽运能量变化的曲线图，其中，横坐标为抽运光能量，单位是微焦耳；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位。

图4：圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场和激光增益场分布计算图。其中，横坐标是圆柱形微腔沿径向的长度，单位是微腔的半径(a)；纵坐标是圆柱形微腔回音壁模式的场强度，单位是任意单位；粗实线表示一阶径向模式(1＝1)的回音壁模式的场强分布，细实线表示二阶径向模式(1＝2)的回音壁模式的场强分布。在右上角的插图中，粗实线表示一阶径向模式(1＝1)回音壁模式的倏逝波场强分布，细实线表示二阶径向模式(1＝2)的回音壁模式的倏逝波场强分布；三角形符号▲表示激光增益场分布。

图5：通过图2所示的装置，采集到的不同直径的光纤的中等光谱分辨率单波段回音壁模式激光光谱图，其中，横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位。

图6：通过图2所示的装置，采集到的双波段低分辨率回音壁模式激光光谱图。其中，横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位。图6中，波长范围内在567-576nm之间的回音壁模式的激光辐射由罗丹明6G乙醇溶液产生；波长范围内在592-600nm之间的回音壁模式的激光辐射由罗丹明B乙醇溶液产生。

本发明方法和装置不受以下实施例的限制。

具体实施方式

下面结合附图2-6，对本发明作进一步的说明。

实施例中的装置如图2所示。用倍频YAG激光器11波长为532nm的脉冲激光作为抽运光。抽运光经一线偏振片12起偏后，再经过另一线偏振片13，13的偏振方向平行于Y-Z面。旋转12的偏振方向，来获得需要的抽运能量。在光路中放置分束片14，以便由激光能量计15测出即时抽运能量。抽运光由一块焦距为75mm的聚焦透镜16会聚在光纤端面前，并以θ_i＝7.6°的圆锥角沿轴线进入直径为286.1μm的单一折射率石英光纤2。光纤2插入玻璃套管5和6中，玻璃套管中盛装不同激光染料的乙醇溶液。取石英光纤和乙醇溶液的折射率分别为1.458和1.36计算，抽运光进入光纤端面的圆锥角只需小于θ_ic＝30.2°，光线进入5、6或7后以全反射方式传播。抽运光在乙醇溶液中的消逝场3激励染料产生增益，圆柱形微腔回音壁模式的消逝场4中的光子在染料增益中产生受激辐射，并将受激辐射光耦合进入微腔，在回音壁模式的支持下(提供光学反馈)形成激光振荡。回音壁模式激光的光能8、9或10从光纤表面沿X-Y平面辐射出来，由导光光纤17和18送至光谱仪19的进光狭缝口。

在图2中，当内径φ＝1mm，长L＝120mm的玻璃套管5内装入浓度为2×10^-3M/L的罗丹明B乙醇溶液时，采用消逝波轴向抽运方式，抽运能量较低时，只能在石英光纤2外的染料区观察到暗红色的荧光辐射。当抽运能量增加到一定的数值后，沿石英光纤的边缘出现炫目的红光。用肉眼沿垂直于光纤的方向(X-Y平面)观察，此红光的强度最大；偏离光纤轴的垂向后，强度急剧减弱，沿光纤轴方向不能观察到红光。可见，此炫目红光的辐射具有圆柱形微腔回音壁模式激光辐射的方向性特征。用密度为2400g/mm的光栅采集到的中等分辨率激光光谱如图3所示。光谱由强弱两组基本等间距的谱线构成，分别对应一阶和二阶回音壁模式的径向模式数(radial mode order，1)和不同的角模式数(angular mode number，n)，用图中括号内的两个数字(1，n)分别表示。图3中右上角的插图是光辐射强度和抽运能量的关系曲线，由插图可见，当抽运能量超过10μJ时，激光辐射强度急剧增加。10μJ的抽运能量就是此回音壁模式激光器的阈值能量，对应肉眼刚刚观察到“炫目红光”时的抽运能量值。

取：a＝143.05μm、n₁＝1.458和n₂＝1.36分别为圆柱形微腔的半径、折射率以及增益包层的折射率。由(1)、(2)两式计算出了(1，n)分别取(1，2174)和(2，2169)时的模场强度I_WGM(r)＝E(r)E^*(r)分布曲线，结果如图4所示。其中，r≥a的部分就是(1，2174)和(2，2169)模式的倏逝波场强分布，为便于比较，倏逝波部分放大后画在图4的右上角插图中。

取：λ＝532nm(抽运光的波长)，θ_i＝7.6°，I₀＝1(抽运光在光纤界面上的强度)，I_p(r)的计算结果在图4右上角的插图中用实心三角形符号▲表示。

图4中的插图清楚地表明：在r≥a区域，由抽运光的倏逝波激励产生的增益场分布，和圆柱形微腔(1，2174)和(2，2169)模式消逝场的强度分布在空间理想重叠。

选择不同直径的光纤重复图2所示的实验，用密度为2400g/mm的光栅采集到的中等分辨率激光光谱如图5所示。由图5可见，随光纤直径的减小，相邻激光谱线的间隔增加。如果使光纤直径小于10μm，完全可以在10nm的增益范围内实现回音壁模式的单模激光振荡。对直径D＝292、197、93和53μm的石英光纤，相邻激光谱线的平均波数间隔分别是Δv＝7.57、11.35、23.89和42.27cm^-1。用回音壁模式波数间隔的一级近似公式Δ(1/λ)＝1/n₁πD(n₁是光纤的折射率)求出的对应波数间隔分别是Δ(1/λ)＝7.48、11.08、23.48和40.43cm^-1。计算值偏小的原因是计算中仅仅采用了回音壁模式波数间隔的一级近似公式。

随着抽运能量的增加，回音壁模式激光沿光纤轴向(Z方向)的辐射长度也随之增加。表一列出了在浓度为2×10^-3M/L的罗丹明B乙醇溶液中，D＝286.1μm的石英光纤的辐射长度和抽运能量之间的实验测量值。利用回音壁模式激光沿光纤轴向的辐射长度(即：有效增益长度)，在光纤的轴向分段(图2中的5和6)填入不同的激光增益介质，即可在一根光纤中同时产生不同波长范围的回音壁模式激光辐射。

表一：激光辐射长度和抽运之间的实验测量值

  抽运能量  (μJ)  8  16  26  28  33  40  60  125  辐射长度  (mm)  0  12  20  35  40  65  89  ＞120

在内径和长度分别是φ＝1mm和L＝15mm的玻璃套管5和6内分别装入浓度为2×10^-3M/L的罗丹明6G和罗丹明B乙醇溶液，用密度为1200g/mm的光栅采集到的低分辨率激光光谱如图6所示：在一根光纤中同时产生了波长范围在567～576nm以及592～600nm两个不同波段的回音壁模式的激光辐射。