基于微結(jié)構(gòu)光纖的可調(diào)諧微腔激光器的制造方法
【專利說(shuō)明】基于微結(jié)構(gòu)光纖的可調(diào)諧微腔激光器 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種可調(diào)諧的微腔激光器，基于拉錐的簡(jiǎn)化液芯微結(jié)構(gòu)光纖，通過(guò)改 變拉錐簡(jiǎn)化空心光纖中填充的染料液體的激發(fā)位置，可以得到可調(diào)諧的激光輻射，輻射光 具有強(qiáng)的徑向輻射和低的激光閾值的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于基于光流體的微腔激光器具有低能量消耗，小的封裝體積，樣品需求量小，可 調(diào)諧的激光發(fā)射波長(zhǎng)以及一些獨(dú)特的光學(xué)品質(zhì)，它在集成光學(xué)設(shè)備，光操控以及生物醫(yī)學(xué) 分析方面具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。填充染料液體進(jìn)入微流通道，形成了一個(gè)光學(xué)微腔，提供激 射光的光學(xué)反饋。內(nèi)部包含流體的微型諧振腔具有高的品質(zhì)因子和低的能量消耗，而在現(xiàn) 有的微腔染料激光器中，微腔品質(zhì)因子和微流控制是研宄者主要的關(guān)注點(diǎn)。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)， 諧振腔分為薄層板，液滴，實(shí)芯微球，圓柱形微腔以及工程中改造使用的微環(huán)，微盤(pán)和微線 圈諧振腔。然而，當(dāng)泵浦能量增加時(shí)，腔外包圍流體的微腔折射率分布變得不均勾，從而產(chǎn) 生激光的效率較小，發(fā)射波長(zhǎng)波動(dòng)大。進(jìn)一步，一般光流體激光器尺寸相對(duì)大，使得傳導(dǎo)時(shí) 存在更多的模式，引起激烈的模式競(jìng)爭(zhēng)，因此，選用更小尺寸和內(nèi)部包含流體的光流體微腔 會(huì)更加適用于開(kāi)發(fā)高效的激光器。
[0003] 近年來(lái)，基于亞波長(zhǎng)微光纖諧振腔結(jié)構(gòu)在微型光子設(shè)備中有大的潛能。光被限制 在亞微米直徑的波導(dǎo)中，具有很大的倏逝場(chǎng)甚至在波導(dǎo)彎曲率大情況下也可以低損耗的傳 導(dǎo)。因此，由微光纖形成的諧振腔能產(chǎn)生低閾值穩(wěn)定的激光，但同時(shí)也出現(xiàn)一些缺陷，主要 由于他們易碎且需要額外的微流體通道。近期，Stolyarov等人報(bào)道了一個(gè)圓柱形布拉格光 纖的諧振腔支持純凈的徑向射線模式，并且利用光纖內(nèi)壁的法布里-鉑羅（Fabry-Perot) 諧振腔原理產(chǎn)生激光。利用空心微結(jié)構(gòu)光纖的激光器優(yōu)勢(shì)在于他們的小的連接損耗，緊湊 型以及增強(qiáng)的多功能性。由于常規(guī)微流體環(huán)形諧振腔的整體設(shè)計(jì)性使激光調(diào)節(jié)范圍受限 制，因此，調(diào)節(jié)諧振腔到任意頻率諧振對(duì)激光應(yīng)用非常有需要。盡管通過(guò)替換不同尺寸的空 心微結(jié)構(gòu)光纖，可調(diào)諧激射光在一些報(bào)道中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，但是需要復(fù)雜的操作和多余的支出 費(fèi)用用于多個(gè)諧振腔系統(tǒng)。
[0004] 因此，發(fā)明一個(gè)諧振腔具有緊湊精細(xì)，獨(dú)立變化尺寸的特點(diǎn)，并且方便微流體控制 的可調(diào)諧光流體微腔激光器具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是：結(jié)合光流體微腔以及環(huán)形諧振腔的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新的拉錐空心微 結(jié)構(gòu)光纖中諧振腔結(jié)構(gòu)，具有緊湊精細(xì)和變化尺寸的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光流體微腔激光 器。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：首先，我們利用基于氫氧焰的熔融 拉錐技術(shù)制備拉制簡(jiǎn)化空芯微結(jié)構(gòu)光纖，微環(huán)諧振腔的尺寸沿著光纖長(zhǎng)度縮小幾微米，使 得諧振腔長(zhǎng)度連續(xù)變化，獲得不同的尺寸的微環(huán)諧振腔。然后通過(guò)封堵空心微結(jié)構(gòu)光纖端 面處的包層孔得到液芯微結(jié)構(gòu)光纖，并且使用光纖中心孔填充的激光染料作為微流體增益 介質(zhì)。光纖中的微環(huán)諧振腔中限制的光表現(xiàn)出強(qiáng)烈的諧振，在微環(huán)內(nèi)部的微流體與空氣交 界面處我們得到強(qiáng)徑向輻射和低閾值激射光。此外，在軸向泵浦微腔染料激光器方法中，我 們通過(guò)改變沿著拉錐光纖的增益介質(zhì)的液面位置，得到可調(diào)諧的激光，并且，在側(cè)向泵浦微 腔染料激光器方法中，我們通過(guò)縱向改變微結(jié)構(gòu)光纖拉錐區(qū)域的泵浦位置，能夠調(diào)節(jié)微環(huán) 染料激光器的發(fā)射光譜，也得到可調(diào)諧的激光。
[0007] 所述的拉錐方法具備特定的拉錐條件，低的火焰加熱溫度，冷制備的條件減小了 氣孔的坍塌速度，同時(shí)拉制速度足夠快的條件減小了拉制過(guò)程的時(shí)間，保持光纖內(nèi)部孔的 微結(jié)構(gòu)不變形。這種方法能夠保證光纖微結(jié)構(gòu)的完整性，獲得直徑均勻變化的微環(huán)，而不破 壞微環(huán)的結(jié)構(gòu)。
[0008] 所述的光纖中微環(huán)結(jié)構(gòu)諧振腔諧振原理是由于二氧化硅壁納米尺寸厚度，周?chē)?大的倏逝場(chǎng)，限制在二氧化硅微環(huán)中的熒光倏逝場(chǎng)與靠近腔的增益介質(zhì)相互作用，產(chǎn)生受 激輻射。當(dāng)泵浦光超過(guò)受激輻射的閾值時(shí)，產(chǎn)生激光的輻射。
[0009] 所述的改變沿著拉錐光纖的增益介質(zhì)的液面位置的方法是光纖填充端連接一個(gè) 注射器，使用注射器塞子來(lái)控制中心孔氣壓，因此我們可以控制光纖中心液柱的長(zhǎng)度和位 置。
[0010] 所述的拉錐微結(jié)構(gòu)光纖的諧振腔可調(diào)諧特性機(jī)理在于：微結(jié)構(gòu)光纖在經(jīng)過(guò)拉錐 后，中心微環(huán)的尺寸同樣成比例的變化。我們通過(guò)小心的控制增益介質(zhì)液柱來(lái)改變激射光 的位置，這樣可以得到不同尺寸的腔長(zhǎng)，因此，微環(huán)諧振腔的腔長(zhǎng)具有可調(diào)性。
[0011] 對(duì)于環(huán)形腔內(nèi)的全內(nèi)反射，駐波可以有波長(zhǎng)形式表示，定義為：
[0012] ΝλΝ= n effLc (1)
[0013] 其中N是一個(gè)整數(shù)，λ N是激射光波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)于第N個(gè)縱模，L。是環(huán)形腔的長(zhǎng)度，n eff 是微環(huán)的有效折射率。根據(jù)方程（I)，N階縱模的諧振波長(zhǎng)與腔長(zhǎng)（L。）相關(guān)。因此，一個(gè)基 于簡(jiǎn)化液芯微結(jié)構(gòu)光纖激光器的可調(diào)諧特性可以通過(guò)改變光纖拉錐區(qū)域的增益介質(zhì)表面 位置而實(shí)現(xiàn)。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：這種具有緊湊精細(xì)和變化尺寸結(jié)構(gòu)的諧振腔
[0015] 使用軸向泵浦方法，泵浦光能夠直接與增益介質(zhì)相互作用，并且沿著光纖軸向泵 浦光與光纖徑向的激射光相互垂直，因此，我們同時(shí)得到強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用和泵浦光 和激射光的自動(dòng)分離。環(huán)繞微流體的二氧化硅微環(huán)尺寸沿著光纖長(zhǎng)度連續(xù)縮小幾個(gè)微米， 得到一個(gè)變化的諧振腔長(zhǎng)，尺度小的諧振腔具有限制模式少和頻率間隔大的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說(shuō)明】
[0016] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0017] 圖1是簡(jiǎn)化液芯微結(jié)構(gòu)光纖橫截面圖；
[0018] 其中：1-外包層結(jié)構(gòu)；2-中心空氣孔填充增益介質(zhì)；3-薄壁微