一种连续波光源激励串接微腔产生和放大回廊模激光的方法及装置

1.本发明属于微小激光器领域，尤其涉及一种连续波光源激励串接微腔产生和放大回廊模激光的方法及装置。


背景技术：

2.随着集成光电子技术的发展,激光器朝着小型化、集成化的方向演化。低损耗的介电微腔，包括微球腔、微柱腔、微环腔、微盘腔，由于采用高温融熔而在液体表面张力的作用下形成光滑的表面。采用近场倏逝波耦合器将光掠入射耦合到微腔时，当光的波长满足与微腔共振时（光在介质中的波长的整数倍等于腔周长），这些光就被介质表面约束而在内表面连续全反射，形成环绕微腔大圆的光场分布，这种光场分布称为回廊模(wgm)共振,满足回廊模共振的波长排列称为形貌共振谱。由于wgm仅分布在微腔大圆环很小的区域而具有很小的模式体积，当有一定光功率耦合入微腔表面时就造成wgm具有极高的功率密度。极高功率密度是非线性光学现象的基础 ,也是低阈值激光器的前提。所以这种具有光滑的低损耗表面的微腔可以保持高品质因子(高q值)，常作为稀土掺杂光致受激辐射或介质非线性现象受散射激光的微谐振器，这类激光常称为回廊模（wgm）激光。
3.这种低阈值和窄线宽回廊模微腔激光器已在二氧化硅、磷酸盐和碲酸盐玻璃中被证明，这些微腔掺杂了不同的稀土掺杂离子，如钕(nd)、铒(er)、铥(tm)、钬(ho)等，采用不同激光光源泵浦形成了可见光到近、中红外的微腔激光器等，如专利cn201810239383
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一种级联泵浦的微腔激光器；cn112290363a一种基于掺铒微球的低成本回音壁微腔激光器。
4.已有研究证明这种微腔激光器的输出功率相对较低。通常，微腔激光器是受到接近激光活性材料吸收波长的泵浦光形成wgm共振并发生受激辐射，这种方法提供了最大的激发效率，但要求外部激光源的光频率必须与泵浦wgm的光谐振频率相匹配。因此，在回廊模微腔激光器中，通常是采用窄线宽和频率可调谐的单频激光源作为激励光源，但这种泵浦源输出的泵浦光波长需要因振动或微腔的固有谐振波长随温度变化实时调整，以使泵浦波长与微腔的固有波长相匹配，以最大的耦合效率进入微球，这导致回廊模微腔激光器在实际运用中俱有不适应性。为解决上述问题，我们提出了采用连续波光源作为激励光源，如放大的自发辐射(ase)或发光二极管(led)光源作为泵浦激光器。其中，ase光源是一种高稳定、高功率、宽带的光源。它可以降低系统的相干噪声、光纤瑞利色散引起的相位噪声和光学克尔效应引起的相移。稀土掺杂光纤的ase源具有输出谱稳定、环境影响小、易于与单模光纤传感系统耦合等优点。利用串接稀土掺杂不同直径微腔与光纤耦合器组合结构，能充分利用功率ase光源宽光谱、多偏振态，能同时提供不同直径微腔作为激励源，也充分利用稀土离子能级丰富、可吸收多波长光子作为外层电子的泵浦源以高效率产生、放大回廊模激光。克服目前采用单频激光为泵浦光的缺点，这种单频激光泵浦源易受环境温度、振动的影响，而造成激励光与微腔的失谐。连续光激励源因其宽谱范围总有与微球腔谐振的波长，
而不受环境温度、振动的影响，并能为多个串接的不同直径的微球提供激励源。


技术实现要素：

5.本发明的目的是基于以上理论基础和方法，提供了一种连续波光源激励串接稀土离子掺杂sio2微腔产生和放大回廊模激光的方法及装置，本发明解决技术问题所采用的方案是：一种连续波光源激励串接微腔产生和放大回廊模激光的装置，包括一个用于提供泵浦光的连续光源、用于传输激励光的第一传输光纤、数个用于产生和放大激光的镀掺稀土离子的不同直径sio2膜微腔、与微腔相同数量用于将连续光源耦合入微腔形成回廊模及将产生激光耦合输出的耦合器、用于传输激光的第二光纤；所述第一传输光纤一端与作为泵浦源的连续波长光源连接，另一端与所述耦合器首端连接，所述各耦合器分别与微腔大圆横截面一一对应相切耦合，各耦合器首尾相接，所述第二传输光纤一端与最后一个耦合器尾端连接，另一端与产生与被放大回廊模激光输出口连接。
6.进一步的，所述镀膜微腔由溶胶凝胶法对微腔镀功能薄膜制成，所述功能薄膜厚度在0.5μm
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2μm之间，所述微腔直径在10μm
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5000μm之间，可以是微球、微柱、微盘、微芯环微腔，微环；各个串接微腔直径不相同；所述微腔由sio2微盘或sio2光纤高温加热熔融在液体表面张力作用下形成光滑的微腔而制成。高温加热源可以是酒精灯火焰、甲烷气体火焰、氢气火焰或co2激光器等；前串接微腔产生激光，后串接微腔既可产生新波长激光，也可放大与前微腔谐振的波长激光。所产生的激光与掺杂的稀土离子及泵浦源波长有关，如通信波长的1550nm波段，用于激光手续与人眼安全的2μm波段。
7.进一步的，所述连续波光源为发光二极管(led),或放大的自发辐射光源(ase)，或其它输出连续波长的光源,其波长可以是900~1100 nm，或1500~1600nm。
8.进一步的，所述光纤耦合器为双锥光纤或一段磨抛一半的半剖光纤。所述第一传输光纤和第二传输光纤均为标准通信石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。所述连续光源、第一传输光纤、耦合器、第二传输光纤和产生与被放大回廊模激光输出口均通过光纤连接器相连，光纤连接器是指将光纤连接起来的无源器件。
9.进一步的，所述掺杂稀土离子可以是铒(er
3+
)、铥(tm
3+
)、钕(nb
3+
)、镱(yb
3+
)钬(ho
3+
)、镨(pr
3+
)或者它们的组合。微腔外镀稀土离子掺杂sio2功能薄膜采用溶胶凝胶法，所述功能薄膜厚度在0.5μm
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2μm之间；所述溶胶凝胶法的溶胶中稀土离子掺杂的方法是一种通用的方法，稀土离子通过硝酸盐或氯化盐加入。
10.进一步的，制备稀土离子掺杂溶胶，其方法包括以下步骤：步骤s1：按39.9%正硅酸乙酯、39.9%无水乙醇、19.2%去离子水、1%二甲基甲酰胺的体积分数比量取纯度为99.9%的上述溶剂体积共v(5
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50)毫升放置于烧杯中；步骤s2：在烧杯中加入计算量的硝酸盐或氯化盐水合物(使薄膜的稀土离子为2 ~ 6 wt. %)，并放入磁力振子，将烧杯密封并放置到磁力搅拌器上；步骤s3：开启磁力搅拌器，在常温下搅拌3~5小时；步骤s4：关掉磁力搅拌器，将烧杯静置5~15小时形成溶胶，放置于25℃环境保存。
11.进一步的，采用溶胶凝胶法对微腔镀膜，其方法包括以下步骤：
步骤p1：将所述微腔浸入凝胶1~3min，取出晾干3~8min，将附着晾干凝胶的微腔用放电电弧或激光加热融熔凝胶，自然冷却为致密的功能薄膜，将镀膜微腔显微镜下观察并测量记录直径；步骤p2： 重复步骤p1，直到功能薄膜厚度在0.5μm
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2μm之间。
12.进一步的，所述激励光源为微腔所镀膜层中稀土离子能吸收的波长，并且为发出连续波长的光源如 led、ase、sled光源，用于激励微腔外层中稀土离子产生回廊模激光。
13.进一步的，所述产生和放大的回廊模激光波长和强度通过光谱分析仪、光功率计或光波长计检测。
14.本发明还提供一种如上述所述的装置产生和放大回廊模激光的方法，将镀掺稀土离子的sio2膜微腔与耦合器相切接触，形成不同直径微腔通过光纤耦合器串接的结构。开启连续波光源，将连续波光源发出的光作为激励光经第一传输光纤传输至串接微腔第一级耦合器，激励光以倏逝波耦合入第一级镀掺稀土离子的sio2膜微腔中，受激辐射产生第一微腔的回廊模激光；剩余的激励光与第一级微腔的回廊模激光通过第二级耦合器被选择地进入第二级镀掺稀土离子的sio2膜微腔中产生第二微腔的回廊模激光和放大第一微腔的与第二微腔回廊模激光相同波长的回廊模激光。三级以上串接微腔与此相同，连续光源激励产生此级微腔产生回廊模激光，放大前级串接微腔与此级相同的波长回廊模激光，最后经第二传输光纤输出各波长回廊模激光。本发明各级微腔都能产生回廊模激光，同时下级微腔放大上级微腔所产生的能与本级回廊模激光共振的激光，非谐振波长几乎无损地通过，充分利用ase光源的能量和稀土离子吸收有较宽波段光子的特性，以高效率产生和放大回廊模激光。
15.与现有技术相比，本发明有以下有益效果：（1）易产生和放大回廊模激光。本发明运用镀膜微腔获得远超法布里
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珀罗微腔或光子晶体微腔的品质因子和功率密度，有利于实现受激辐射过程，获得回廊模激光。
16.（2）激励光源为低成本的led或ase光源，且能高效利用激励光源。本发明通过串接掺稀土离子微腔的方式充分利用连续光源的能量并以高效率放大回廊模激光。
17.（3）利用串接稀土掺杂不同直径微腔与光纤耦合器组合结构，能充分利用功率ase光源宽光谱、多偏振态，能同时提供不同直径微腔作为激励源，也充分利用稀土离子能级丰富、可吸收多波长光子作为外层电子的泵浦源以高效率产生、放大廊模激光。克服目前采用单频激光为泵浦光的缺点，这种单频激光泵浦源易受环境温度、振动的影响，而造成激励光的失谐。连续光激励源因其宽谱范围总有与微球腔谐振的波长，而不受环境温度、振动的影响，并能为多个串接的不同直径的微球提供激励源。。
18.（4）成本低。本发明采用连续波光源、第一传输光纤、第二传输光纤等都是常用的、技术可靠的产品，可以大大降低回廊模激光器的成本。
附图说明
19.下面结合附图对本发明专利进一步说明；图1为本发明的一种连续光源激励串接不同直径微腔产生和放大回廊模激光装置的示意图；图2为实施例1的连续光源激励串接不同直径微腔产生和放大回廊模激光装置的
示意图示意图；图3为本发明实施例1的ase光源能量吸收频谱图；图4为本发明实施例1的2μm回廊模激光输出示意图；图中：tdsm表示掺tm
3+
二氧化硅微球；图3中：tdsm1，tdsm2和tdsm1 + tdsm2分别耦合时ase光源的透射光谱；图4中：ase泵浦tdsm产生的2 μm附近的激光光谱，(a)tdsm1，tdsm2单独作用时激光光谱。(b)tdsm1和tdsm2级联时激光光谱。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
21.实施例1如图2所示，本实施例的1550nm波段ase连续光源激励串接掺铥sio2微球产生和放大2μm回廊模激光的装置，包括一只用于提供激励光的1550nm波段ase连续光源、用于传输激励光的第一传输光纤、两个用于产生和放大2μm激光的镀掺铥离子的sio2膜微球、与微球相同数量用于将1550nm波段连续光源耦合入微球形成回廊模及将产生的2μm激光耦合输出的耦合器、用于传输2μm激光的第二光纤；所述第一传输光纤一端与1550nm波段连续光源连接，另一端与第一耦合器首端连接，所述各耦合器分别与掺铥sio2微球赤道一一对应相切耦合，各耦合器首尾相接，所述第二传输光纤一端与第二个耦合器尾端连接，另一端为2μm激光输出口。
22.在本实施例中，所述镀膜微球腔由溶胶凝胶法对微球腔镀功能薄膜制成，所述功能薄膜厚度在0.5μm
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2μm之间，所述微球腔由单锥光纤熔融制成，直径在160μm与165μm。
23.在本实施例中，所述单锥光纤由氢气火焰加热某小段标准单模光纤并拉伸制成。
24.在本实施例中，所述1550nm cw光源为放大的自发辐射放大的光源（ase光源），用于激励微球中铥离子产生2μm受激辐射激光，所述耦合器为双锥光纤。
25.在本实施例中，所述溶胶凝胶法是铥离子(tm
3+
)掺杂的方法，铥离子通过硝酸铥加入。虽然各类回廊模微腔激光器研究发展迅速，然而迄今为止大部分泵浦光源都是采用可调谐激光器的单波长激光，这存在些问题。首先，当泵浦激光耦合入微球时会产生热量，由热光效应引起折射率发生变化，导致固有谐振波长变化，需要调谐波长；其次，当环境振动引起输入光纤应力变化导致输入光的偏振态变化而失谐时也需要调谐波长，也就是激光工作时需要稳定的环境，不能受到振动；第三，可调谐激光器价格昂贵。而本发明根据ase光源的宽带、具有全向偏振的特点，提供适应环境、微腔固有谐振频率变化的激励光，利用级联微球充分利用激励光的能量产生和放大2μm激光。
26.在本实施例中，采用tm
3+
掺杂溶胶，其加工方法包括以下步骤：步骤s1：按39.9%正硅酸乙酯、39.9%无水乙醇、19.2%去离子水、1%二甲基甲酰胺的体积分数比量取纯度为99.9%的上述溶剂体积共5毫升放置于烧杯中；步骤s2：在烧杯中加入计算量的硝酸铥六水合物(使薄膜的tm
3+
为4 wt.%)，并放入磁力振子，将烧杯密封并放置到磁力搅拌器上；步骤s3：开启磁力搅拌器，在常温下搅拌4小时；步骤s4：关掉磁力搅拌器，将烧杯静置12小时形成溶胶，放置于25℃环境保存。
27.在本实施例中，采用凝胶法对微球腔镀膜，其加工方法包括以下步骤：步骤p1：电极放电弧光烧制微球：将单锥光纤尖端放置在放电电极尖端连线正中，设置特定的放电强度与放电时间，放电熔融单锥光纤尖端位置后，自然冷却形成微球腔，将微球腔放置在显微镜下观察并测量记录直径；步骤p2：重复步骤p1，直到微球腔直径在160μm
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165μm之间；步骤p3：将所述微球腔浸入凝胶3min，取出晾干5min，将附着晾干凝胶的微球腔放置在放电电极尖端连线处，设置特定的放电强度与放电时间，将凝胶加热后，自然冷却为致密的功能薄膜，将镀膜微球腔显微镜下观察并测量记录直径；步骤p4： 重复步骤p3，直到功能薄膜厚度在0.5μm
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2μm之间铥离子丰富的能级结构，有宽的吸收光谱以激发电子到上能级。将ase宽带光耦合入tm
3+
掺杂镀膜微球腔时，会产生很强的受激辐射光。第一传输光纤与第二传输光纤选择直径为125μm的普通通信单模石英光纤，双锥光纤的原料同样选用直径为125μm的普通通信单模石英光纤。
28.采用二串联微球腔耦合系统获得的2μm激光强度比较两微球腔单独耦合获得的2μm激光强度分别增强了12.9倍和2.7倍，比较两微球腔单独耦合获得的2μm激光强度之和也增强了2.2倍。
29.在本实施例中，所述第一传输光纤和第二传输光纤均为标准通信石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。
30.在本实施例中，所述产生的2μm激光波长与强度通过光谱分析仪(yokogawa
ꢀ‑ꢀ
aq6375b，波长范围为1200 ~ 2400 nm)检测。
31.本实施例的装置产生和放大2μm回廊模激光的方法，将两个镀掺铥离子的sio2膜微球与两个耦合器耦合形成级联微球，开启1550nm波段ase连续光源，将1550nm波段ase连续光源发出的光作为激励光经第一传输光纤传输至级联微球第一级耦合器，激励光通过倏逝波耦合入第一级镀掺铥离子的sio2膜微球中，受激辐射产生回廊模2μm激光，透射的激励光与2μm回廊模激光自第一级镀掺铥离子的sio2膜微球耦合入第一级耦合器后，通过第二级耦合器耦合入第二级镀掺铥离子的sio2膜微球中产生和放大2μm回廊模激光，最后经第二传输光纤的2μm回廊模激光输出口输出。本发明后级微球腔能产生2μm回廊模激光，也放大前级微球腔所产生的能与本级微球腔谐振的2μm回廊模激光，非谐振波长几乎无损地通过，充分利用ase光源的能量并以高效率放大2 μm激光。
32.本发明提供不同直径微球串联产生与放大2μm波段（1.85~2.15μm）激光的具体搭建结构如下：激励光源为ase(或led)光源，输出的激励光作为泵浦光通过一条直径为125μm的石英光纤（即第一传输光纤）后进入双锥光纤组第一级双锥光纤，激励光通过倏逝波耦合入第一级镀膜微球腔中，受激辐射产生2μm波段激光。透射的激励光与2μm波段激光自第一级镀膜微球腔耦合入第一级双锥光纤后，通过第二级双锥光纤耦合入第二级镀膜微球腔中产生和放大2μm波段激光，通过最后一级双锥光纤耦合入最后一级镀膜微球腔中产生和放大2μm波段激光，最后经第二传输光纤、2μm波段激光输出口输出。产生的2μm波段激光从最后一级双锥光纤通过另一条直径为125μm的石英光纤（即第二传输光纤）输出。本实施例中输出端与光谱分析仪相连接，实测得级联微球腔更高效地利用了ase光源能量并输出了强度更
高的2μm波段激光。
33.综上所述，基于串联不同直径掺铥微球耦合双锥形光纤结构产生和放大2μm波段激光的方法，结构简单，成本低，可靠性高。所要求串接不同直径微球腔，这是由于不同直径的微球其形貌谐振特征谱的自由光谱范围（δλ
fsr
=λ2/πd）不同，一方面可高效地利用ase等连续的泵浦光源，另一方面，可以产生不同的2μm波段激光，并且后级微球可以放大前级微球产生的相同波长的激光，实现产生和放大2μm波段激光的功能。若每个微球直径相同，其δλ
fsr
相同，前级微球耦合入的ase光源中与之谐振的光波长，后级微球由于也是与前微球相同的谐振波长，就几乎得不到泵浦能量，实现不了产生多波长2μm波段激光以及放大前级产生激光的作用。不同直径微球是与连续波激励光源相结合的，与单波长激光为激励光源不同。
34.上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。