一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法

摘要

本发明公开了一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法，采用圆柱形聚合物光纤随机激光器作为待测样品，纳秒脉冲激光器泵浦无腔聚合物光纤随机激光器端面建立短脉冲随机激光，并将随机激光平均的分成两束光，光谱仪测试其中一束光信号采集光谱波形，光电探测器测试另一束光信号采集时域波形。通过测试聚合物光纤在不同泵浦能量下建立随机激光的变化，实时获得当前泵浦能量下的随机激光光谱和时域的信息，并从时域的角度论证了短脉冲随机激光的建立，使得短脉冲的压窄达到一个数量级的变化。本发明可以对无腔聚合物光纤内部短脉冲随机激光的建立和激光模式机理进行论证，在研究聚合物光纤随机激光的内部动力学方面将具有重要的意义。

说明书

技术领域

本发明涉及光纤随机激光测试方法技术领域，尤其涉及一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法。

背景技术

随机激光是一种不需要传统的谐振腔，通过增益介质(如激光晶体或非晶粉末)和无序散射介质获得光放大和多重散射反馈的激光，泵浦光和发射光参与了多次散射过程，增加了光子在结构内部的停留时间和干扰概率，并允许增益介质提供足够的放大来补偿光通过边界的吸收和泄漏。随机激光器成本小，结构简单，阈值低，相干性好，寿命长，可调谐得到了广泛的研究。由不同种类和形式的介质掺杂的随机激光器种类繁多，其中聚合物光纤随机激光器广受关注。V.R.Anand等人用532纳米激光泵浦掺有罗丹明B的空心聚合物光纤获得了灵敏度达到0.09纳米/摄氏度的温度可调谐波长的激光器。M.A. Illarramendi等人则通过泵浦光的偏振角度调谐了掺杂罗丹明6G的梯度折射率聚合物光纤的发光性能。这些研究表明聚合物光纤是稳定可调谐的，展示了聚合物光纤随机激光器可用在传感器，光开关和全场成像等领域的光明前景。

而随机激光时域的研究一直是目前广受关注的热点，随机激光时域的直接表现形式就是光致发光的时间剖面。而光致发光的本质是光子从激发态弛豫到基态的动力学过程，包含光与物质的相互作用过程：线性荧光和非线性受激辐射。E. Pecoraro等人利用光电倍增管采集了罗丹明掺杂二脲杂化物粉末的时间发射特性，发现时间分布变窄，表现为泵浦功率密度的函数并行行为，有效发射线宽由6纳秒降到了400皮秒。脉冲的持续时间受激光染料寿命的限制，激光染料寿命反映在衰减剖面的单指数行为上。而X.Shi则提出了一种全新的基于时间剖面测量确定阈值的方法，采集了建立激光的延迟时间以及时域的上升沿时间，随泵浦功率增加两者均超线性下降并展示出两个拐点，分别对应于工作阈值和激光模式的转换。这一系列研究说明随机激光时域具有良好的研究潜力，有助于我们对于随机激光发射动力学的理解。

目前对于聚合物光纤随机激光器时域的研究还没有报道过，且对于短脉冲随机激光建立的实验论证一直是从光谱强度和波长变化的角度来进行论述。因此，本发明的内容采用了一种新的测试方法来采集无腔聚合物光纤随机激光器的时域信息，并从时域的角度来论证短脉冲随机激光的建立，这项发明为今后无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的制备和内部动力学的研究提供了一种新的策略。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法，用以获取聚合物光纤随机激光器的光谱，并实时测试当前随机激光的时域波形，从时域的角度论证了短脉冲随机激光的建立。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法，包括以下步骤：

（1）、将制备出的圆柱形聚合物光纤随机激光器作为待测样品；

（2）、采用纳秒脉冲激光器作为泵浦光源，发射泵浦光使其耦合进入待测样品的一端，经过纤芯时在激光染料和纳米颗粒共同作用下形成随机激光，剩余的泵浦光和随机激光的混合光从待测样品另一端射出，使用滤波片过滤掉剩余泵浦光，并使用分束镜将随机激光平均分为两束光；

（3）、使用光纤光谱仪的光纤探头接收其中一束随机激光，通过多次改变泵浦激光强度，获得随机激光的光谱信息；采用光电探测器探头接收另一束随机激光，并将光信号转化为电信号传输给示波器，通过多次改变泵浦激光强度获得随机激光的时域信息。

步骤（1）所述的聚合物光纤随机激光器没有光学谐振腔，通过调节泵浦能量产生脉冲宽度在400皮秒到8纳秒范围内的短脉冲随机激光。

步骤（2）中，泵浦光源发射的泵浦激光依次通过一组格兰镜组和凸透镜聚合后耦合进入待测样品中，一组格兰镜组的两块格兰镜分别控制泵浦激光的能量大小和偏振方向。

步骤（2）中所述的分束镜采用50:50非偏振型分束镜将随机激光平均无差别的分成两束不同方向的随机激光。

步骤（3）中，其中一束随机激光耦合进光纤光谱仪的光纤探头，光纤光谱仪接收到光信号传输给计算机，获得随机激光当前的光谱信息，调节格兰镜组改变泵浦光的能量强度，从而改变随机激光性质，统计出光谱随泵浦强度变化的信息。

步骤（3）中，另一束随机激光耦合进光电探测器探头，光电探测器将光信号转化为电信号传输给示波器，示波器将采集到的电压变化模拟出随机激光时域的变化曲线，当调节格兰镜组改变泵浦强度来调控光谱变化时，时域信号也随之同时改变，统计出时域随泵浦强度变化的信息。

本发明的优点是：本发明中，短脉冲随机激光建立的原理是采用了纤芯中掺杂了激光染料和纳米颗粒的无腔聚合物光纤随机激光器作为待测样品，聚合物光纤纤芯内部不规则分布的纳米颗粒形成随机结构使得泵浦光在纤芯内部进行强烈的多次无序散射，增加了光以环路方式传播的概率，为短脉冲随机激光的形成提供了足够的光反馈，而激光染料提供增益作用使得染料分子吸收光子对激光进行放大从而建立短脉冲随机激光；

本发明在同一泵浦能量强度下，利用50:50的非偏振型分束镜将随机激光平均的分成两束光分别进行光谱和时域波形的采集；通过测试聚合物光纤在不同泵浦能量下建立随机激光的变化，利用光纤光谱仪、光电探测器和示波器分别采集随机激光信号，我们就能实时的获得当前泵浦能量下的随机激光光谱和时域的信息，从而对于短脉冲随机激光的建立提供了实验论证；

本发明是首次公开的聚合物光纤随机激光器测试方法，可以对无腔聚合物光纤内部短脉冲随机激光的建立和激光模式机理进行论证，在研究聚合物光纤随机激光的内部动力学方面将具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明中聚合物光纤随机激光器测试方法的装置图。

图2是本发明中随机激光器在不同泵浦能量下归一化时域图。

图3是本发明中随机激光器在不同泵浦能量下时域拟合后的半高全宽图，图中虚线为随机激光的阈值40.79微焦。

具体实施方式

一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器的测试方法，包括以下步骤：

（1）、制备出圆柱形聚合物光纤随机激光器1。待测聚合物光纤随机激光器1包括纤芯和包层两部分，其中纤芯中掺杂了激光染料和纳米颗粒。待测聚合物光纤随机激光器1纤芯中掺杂聚倍半硅氧烷纳米颗粒和PM597激光染料，其中PM597激光染料的质量分数为0.14wt.%，聚倍半硅氧烷纳米颗粒的质量分数为22.9wt.%。包层直径为696.42微米，纤芯直径为26.78微米，长度为3厘米，阈值为40.79微焦。

（2）、如图1测试装置所示，采用输出波长为532纳米，脉冲持续时间6纳秒，重复频率10赫兹，光斑直径100微米的调Q Nd:YAG激光器作为泵浦光源2，发射泵浦光通过焦距为10厘米的凸透镜3使其耦合进入3厘米长的聚合物光纤一端，并从光纤另一端射出，此时为剩余泵浦光和随机激光的混合光，使用截止波长为550纳米的滤波片4过滤掉剩余泵浦光只留下随机激光，使用一个反射镜5来改变随机激光的路径，并将随机激光通过透镜6引导到一块边长为30毫米，分束比为50:50的非偏振立方型分束镜7，分束镜7将随机激光分成两束光。

（3）、其中50%的光被光纤探头耦合到微型光谱仪8(型号QE65PRO，Ocean Optics，分辨率0.4纳米，积分时间100毫秒)上用来测量随机激光的光谱图。其余50%的光被发射到带宽为2千兆赫兹，上升时间为150皮秒的硅型光电探测器9上，光电探测器9内部发生光电效应将采集到的随机激光信号转化为电压信号传输给带宽为1千兆赫兹的示波器10上，从示波器10上就能采集到随机激光的时域波形。该方法可以通过多次改变泵浦激光强度同时测试随机激光的光谱和时域，大程度的减少了在测试上的误差。

步骤（1）中，所制备的聚合物光纤随机激光器1不同于传统的激光器，没有光学谐振腔，通过调节泵浦能量可产生脉冲宽度在400皮秒到8纳秒范围内的短脉冲随机激光。

步骤（2）中，泵浦激光通过一组格兰镜组11后经过凸透镜3聚合后耦合进入聚合物光纤样品中，两块格兰镜分别控制泵浦激光的能量大小和偏振方向。

步骤（2）中，从聚合物光纤样品的另一端射出的是剩余泵浦光和随机激光的混合光，滤波片4过滤掉剩余泵浦光只留下随机激光，采用50:50非偏振型分束镜5可以将随机激光平均无差别的分成两束不同方向的随机激光。

步骤（3）中，其中一束随机激光耦合进光纤光谱仪的光纤探头，光谱仪接收到光信号传输给计算机12，获得随机激光当前的光谱信息，调节格兰镜组11改变泵浦光的能量强度，从而改变随机激光性质，统计出光谱随泵浦强度变化的信息。

步骤（3）中，另一束随机激光耦合进光电探测器9探头，光电探测器9将光信号转化为电信号传输给示波器10，示波器10将采集到的电压变化模拟出随机激光时域的变化曲线。当调节格兰镜组11改变泵浦强度来调控光谱变化时，时域信号也随之同时改变，统计出时域随泵浦强度变化的信息。分束镜7的作用是在相同的时间和泵浦强度下，可以对同一束随机激光同时进行光谱信息和时域信息的测试。

图2是待测随机激光器在不同泵浦能量下归一化时域图，随着泵浦能量增大，脉冲的持续时间与泵浦能量的函数明显缩短。当泵浦光能量为23微焦时，染料分子吸收能量，时间信号开始快速增长，能量还未达到阈值，主要发射方式是自发放大辐射，为较宽的荧光状态，时间波形的右侧对应于染料分子相对缓慢的自发衰变，此时的发射线宽受PM597寿命的限制。当能量增加到38微焦时，时域线宽从23微焦的6.46纳秒压窄到2.46纳秒，比泵浦脉冲的宽度6纳秒还要窄，证明光纤内部开始建立短脉冲随机激光。当泵浦能量为50微焦时，超过了随机激光阈值40.79微焦，光纤内部的主要发射方式为受激辐射，完全建立了短脉冲随机激光。

图3是对归一化时间分布进行高斯拟合，统计出的时间剖面的发射线宽与泵浦能量的关系，图中虚线代表阈值40.79微焦。当阈值还没有达到时，样品内部的弛豫过程已开始建立受激辐射，且存在受激辐射和自发放大辐射混合的过渡区。当能量远高于阈值时，受激辐射是主要模式，50微焦时发射线宽由18微焦的7.15纳秒压窄到0.69纳秒，达到了一个数量级的变化，证明了短脉冲的建立，光致发光的时间分布的宽尾完全被抑制，只有增益窄峰存活。

本发明公开了一种无腔短脉冲聚合物光纤随机激光器及测试方法，通过测试聚合物光纤在不同泵浦能量下建立短脉冲随机激光的变化，利用光纤光谱仪、光电探测器和示波器分别采集光信号，我们就能实时的获得当前泵浦能量下的短脉冲随机激光光谱和时域的信息，并论证了短脉冲随机激光的建立，该测试方法同样适用于其他类型的随机激光器，如溶液、粉末、凝胶、薄膜、电纺丝等。本发明是首次公开的聚合物光纤随机激光器测试方法，可以对无腔聚合物光纤内部短脉冲随机激光的建立和激光模式机理进行论证，在研究聚合物光纤随机激光的内部动力学方面将具有重要的意义。