一种多波长液滴激光器

摘要

本发明提供的是一种多波长液滴激光器。第一捕获光源通过第一光隔离器连接第一捕获光纤，第二捕获光源通过第二光隔离器连接第二捕获光纤，第一捕获光纤和第二捕获光纤出射端的激光束形成的光阱在匹配液中稳定捕获M个液滴谐振腔，靠近各液滴谐振腔的M根微纳光纤将泵浦光耦合入各液滴谐振腔中，各液滴谐振腔中掺杂的激光染料受激输出激光并形成回音壁模式，当输出激光在液滴谐振腔中增强到一定程度时通过靠近的微纳光纤耦合输出M个波长的激光。本发明结合光纤光镊技术以及微球谐振腔理论实现了稳定的、可调的多波长液滴激光器,具有尺寸小、操控力强、结构稳定、高Q值且输出阈值低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种激光器，具体地说是一种多波长激光器。

背景技术

液体激光器的工作物质分为二类:一类为有机化合物液体,另一类为无机化合物液体。其 中,染料激光器是有机液体激光器的典型代表。染料激光器的波长覆盖范围为紫外到近红外波 段(300nm～1.3μm),通过混频等技术还可将波长范围扩展至真空紫外到中红外波段。激光波长 连续可调谐是染料激光器最重要的输出特性。染料激光器的特点是结构简单、价格低廉，并 且主要应用于科学研究、医学等领域,如激光光谱学、光化学、同位素分离、光生物学等方面。

液体染料激光器的缺点是液体的流动性以及难以固定的特性使其设计和结构复杂、笨重, 成本高且易泄漏,对环境和工作人员造成污染和伤害。本发明中使用的是掺有激光染料的液滴 作为激光产生的物质，液滴本身作为激光器中的谐振腔，其结构等同微球谐振腔。微球谐振 腔腔的实验研究发展是随着微球腔的相关理论和各种微球制作工艺的发展逐步开展起来 的,1946年Purcell研究发现光学微腔内共振时真空场模式密度的增加将使得腔内原子的自发 辐射几率远超过自由空间的值(Spontaneous emission probabilities at radio frequencies[J].Phys. Rev.,1946,69:681)。1961年美国贝尔电话实验室的Garrett等首次证明微球形谐振腔可以用 作激光谐振腔,并在晶体微球中观察到了脉冲激光产生和微球回音壁模式荧光发射振荡现象 (Stimulated emission into optical whispering modes of spheres[J].Phys.Rev.,1961,124(6):1807～ 1809)。

传统的激光是在电流或其它激光的激活下使发光物质放出光,放出的光被镜面反射再通 过该物质以产生更多的光,从而导致激光出现。而在微球激光中这一光放大过程被置于两条 光纤的锥形末端的微球取代。让光从一根光纤的末端射入微球,在微球内以WGM传播。光不 断地进入微球,球内的光强不断增加,直到光强达到一定程度,光从球内逸出,并被第二根 光纤探测到。通过这一途径,一个非常弱的信号在由光纤送入微球后,能够被增强很多倍。 显然,这种方法不仅减小了设备的体积,同时极大地降低了其对激励能量的要求。实验表明, 这种激光器对能量需求通常低于喇曼激光器的0.1％。这种方法也得到迅速推广，目前，含有 不同掺杂物的极低阈值的微球激光器已由多人实现，使用的均为研磨或者烧融方式制得的固 体微球，而微球腔激光器对微球谐振腔的表面光滑度和对称性要求极高，因此具有液体表面 张力而形成的液体微球具有突出的优点。

1986年，钱士雄等人报道了在球形液滴中实现了低阈值的激光器(Lasing droplet: high-lighting the liquid-air interface by laser emission[J].Science,1986,231:486–488)，其中使 用机械振动的方法控制染料溶液的液滴下落，使用激发光照射小球的下落轨迹区域，观察到 了液体微球输出激光。这种方法的缺点在于机械振动使得液滴具有不稳定性，难以实现稳定 的激光输出。液滴难控制是长时间以来限制液滴激光器发展的一个重要因素。因此本发明中 使用了光纤光镊技术，使用相对放置的平端面光纤形成的光阱来捕获多个液滴，大大增强了 液滴谐振腔的稳定性。

我们要设计的是结合光捕获的一种多波长液滴激光器。2012年佘江波等人设计了一种微 珠浸没式液体激光器及其热管理方法(CN102868082A)，其方法是将激光性能优良的稀土掺 杂固体激光增益介质经过光学加工获得微珠，将微珠固定在荧光流动池中并完全浸没在匹配 液中。该技术方案使用的是无机化合物作为工作物质，本发明是使用无机化合物液体掺杂在 匹配液微小液滴中。2009年黄少华设计了一种多波长激光器及其制备方法及应用 (CN101404384A)使用的是分布反馈式Bragg光栅构建的半导体激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种尺寸小、操控力强、结构稳定、Q值高且输出阈值低的多波 长液滴激光器。

本发明的目的是这样实现的：

包括第一捕获光源1、第二捕获光源2、第一光隔离器3、第二光隔离器4、第一捕获光纤 5、第二捕获光纤6，第一捕获光源1通过第一光隔离器3连接第一捕获光纤5，第二捕获光 源2通过第二光隔离器4连接第二捕获光纤6，第一捕获光纤5和第二捕获光纤6出射端的 激光束形成的光阱在匹配液7中稳定捕获M个液滴谐振腔8，靠近各液滴谐振腔的M根微纳 光纤9将泵浦光耦合入各液滴谐振腔中，各液滴谐振腔中掺杂的激光染料受激输出激光并形 成回音壁模式，当输出激光在液滴谐振腔中增强到一定程度时通过靠近的微纳光纤耦合输出 M个波长的激光。

本发明还可以包括：

第一捕获光源和第二捕获光源为两个波长相同功率相同的激光光源。

第一光隔离器和第二光隔离器为两个波长与第一捕获光源和第二捕获光源相匹配的光隔 离器。

第一捕获光纤和第二捕获光纤为两根水平放置、端面相对的平端面单模光纤。

液滴谐振腔为直径从几到十几微米的不溶于匹配液的液滴。

M个液滴谐振腔里分别掺有的M种染料，所述染料溶于液滴不溶于匹配液，并且这M 种不同染料受激后的输出光不同，由靠近液滴谐振腔的M根微纳光纤引出。

所述的匹配液是不和液滴谐振腔相溶的并且折射率比液滴折射率低的液体。

所述的微纳光纤直径小于五微米。

本发明结合光纤光镊技术以及微球谐振腔理论实现了稳定的、可调的多波长液滴激光器, 与现有的液滴激光器相比,具有尺寸小、操控力强、结构稳定、高Q值且输出阈值低等优点。

以单波长的液滴激光器为例，介绍本发明的原理。使用相对放置的连接了捕获光源的平 端面光纤，相对出射的激光束形成的光阱在匹配液中稳定捕获掺杂染料的液滴。当符合染料 激发波长的泵浦光通过靠近液滴的输入光纤耦合进入液滴谐振腔中时，光不断进入液滴谐振 腔并以回音壁模式传播(图3)。在液滴中的染料分子吸收泵浦光发生能级跃迁产生激光。产 生的激光在液滴中以回音壁模式不断传播，球内的光强不断增加，直到光强达到一定程度， 激光可以从靠近液滴谐振腔的输出光纤耦合输出。本发明所述的是一种多波长的液滴激光器， 我们在单波长液滴激光器的基础上，使用平断面光纤光镊捕获多个掺有不同染料的液滴谐振 腔，并分别对其进行激发和输出，就可以获得一种方便可控的多波长液滴激光器。

附图说明

图1为多波长液滴激光器整体结构示意图,并附有液滴谐振腔与微纳光纤在不同坐标系 下的视图,分别是x-y平面视图和y-z平面视图。

图2为双波长液滴激光器整体结构示意图。

图3为光的回音壁传播模式示意图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。

结合图2双波长激光器的组成包括第一捕获光源1、第二捕获光源2、第一光隔离器3、 第二光隔离器4、第一捕获光纤5、第二捕获光纤6、匹配液7、两个液滴谐振腔8、两根微 纳光纤9。第一捕获光源1和第二捕获光源2通过第一光隔离器3和第二光隔离器4连接第 一捕获光纤5和第二捕获光纤6，第一捕获光纤5和第二捕获光纤6出射的激光束形成的光 阱在匹配液7中稳定捕获两个液滴谐振腔8，靠近液滴谐振腔的两根微纳光纤9分别通过第 三光隔离器13和第四光隔离器14连接第一激发光源11与第二激发光源12，两根微纳光纤9 将泵浦光耦合入液滴谐振腔中，液滴谐振腔中掺杂的激光染料受激输出激光并形成回音壁模 式，当输出激光在液滴谐振腔中增强到一定程度时就会通过靠近的微纳光纤耦合出去，通过 第一光谱仪15与第二光谱仪16接收，从而实现两个激光波长的输出。

第一捕获光源和第二捕获光源为两个波长相同功率相同的激光光源。

第一光隔离器和第二光隔离器为两个波长与第一捕获光源和第二捕获光源相匹配的光隔 离器。

捕获光纤为两根水平放置、端面相对的平端面单模光纤。

使用的液滴谐振腔为直径是几到十几微米的不溶于匹配液的液滴。

两个液滴谐振腔里分别掺有的两种染料是溶于液滴不溶于匹配液的，并且这两种不同染 料受激后的输出光分别不同，由靠近液滴谐振腔的两根微纳光纤引出。

所述的匹配液可以是不和液滴谐振腔相溶的并且折射率比液滴折射率低的液体。

所述的微纳光纤直径小于五微米。

以下是双波长液滴激光器的制备过程。

1.选择两个功率相同的980nm光源作为捕获光源，光源出来的尾纤连接980nm的光隔离器， 将光隔离器出来的980nm的光纤端进行光纤的预处理，使用米勒钳剥除光纤端的涂覆层 约3cm，用酒精将光纤包层清洗干净，作为捕获光纤。

2.将长为5cm宽为3cm的有机玻璃板10的表面用激光刻上两条长为3cm宽为4μm深度为 2μm间距为5μm的平行的槽，如附图所示。

3.将步骤1中处理好的两个平端面光纤利用微型操做控制器水平的相对放置在有机玻璃板 上，并与步骤2中刻得的槽相互垂直。

4.另取两根单模光纤进行光纤的预处理，使用米勒钳剥除光纤中段的涂覆层约3cm，用酒 精将光纤包层清洗干净并进行拉锥处理，将其直径为2μm的光纤锥区分别放置于步骤2 中刻好的槽内，并将这两根微纳光纤的输入端分别连接波长为633nm和532nm的泵浦光 源。

5.在有机玻璃板上的槽上滴水，利用微型操做控制器移动捕获光纤，使其在水中处于相对 水平的位置，打开捕获光源，在水中滴入两滴分别掺有Rh6G和Pyrromethene597的直径 为5μm的液晶液滴，调整微型操做控制器使掺有Rh6G的液滴在左边、掺有 Pyrromethene597的液滴在右边与槽内放置的微纳光纤输入的泵浦光源相匹配，并且液滴 悬浮于微纳光纤上。

6.打开泵浦光源，并在两根光纤的另一端分别接上光谱仪，打开光谱仪就可以观察到两个 输出光的波长以及光功率。