基于微结构光纤的可调谐微腔激光器的制造方法
【专利说明】基于微结构光纤的可调谐微腔激光器 所属技术领域
[0001] 本发明涉及一种可调谐的微腔激光器，基于拉锥的简化液芯微结构光纤，通过改 变拉锥简化空心光纤中填充的染料液体的激发位置，可以得到可调谐的激光辐射，辐射光 具有强的径向辐射和低的激光阈值的特点。
【背景技术】
[0002] 由于基于光流体的微腔激光器具有低能量消耗，小的封装体积，样品需求量小，可 调谐的激光发射波长以及一些独特的光学品质，它在集成光学设备，光操控以及生物医学 分析方面具有实际的应用价值。填充染料液体进入微流通道，形成了一个光学微腔，提供激 射光的光学反馈。内部包含流体的微型谐振腔具有高的品质因子和低的能量消耗，而在现 有的微腔染料激光器中，微腔品质因子和微流控制是研宄者主要的关注点。根据结构特点， 谐振腔分为薄层板，液滴，实芯微球，圆柱形微腔以及工程中改造使用的微环，微盘和微线 圈谐振腔。然而，当泵浦能量增加时，腔外包围流体的微腔折射率分布变得不均勾，从而产 生激光的效率较小，发射波长波动大。进一步，一般光流体激光器尺寸相对大，使得传导时 存在更多的模式，引起激烈的模式竞争，因此，选用更小尺寸和内部包含流体的光流体微腔 会更加适用于开发高效的激光器。
[0003] 近年来，基于亚波长微光纤谐振腔结构在微型光子设备中有大的潜能。光被限制 在亚微米直径的波导中，具有很大的倏逝场甚至在波导弯曲率大情况下也可以低损耗的传 导。因此，由微光纤形成的谐振腔能产生低阈值稳定的激光，但同时也出现一些缺陷，主要 由于他们易碎且需要额外的微流体通道。近期，Stolyarov等人报道了一个圆柱形布拉格光 纤的谐振腔支持纯净的径向射线模式，并且利用光纤内壁的法布里-铂罗（Fabry-Perot) 谐振腔原理产生激光。利用空心微结构光纤的激光器优势在于他们的小的连接损耗，紧凑 型以及增强的多功能性。由于常规微流体环形谐振腔的整体设计性使激光调节范围受限 制，因此，调节谐振腔到任意频率谐振对激光应用非常有需要。尽管通过替换不同尺寸的空 心微结构光纤，可调谐激射光在一些报道中已经实现，但是需要复杂的操作和多余的支出 费用用于多个谐振腔系统。
[0004] 因此，发明一个谐振腔具有紧凑精细，独立变化尺寸的特点，并且方便微流体控制 的可调谐光流体微腔激光器具有重要意义。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是：结合光流体微腔以及环形谐振腔的优势，开发新的拉锥空心微 结构光纤中谐振腔结构，具有紧凑精细和变化尺寸的特点，实现可调谐的光流体微腔激光 器。
[0006] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：首先，我们利用基于氢氧焰的熔融 拉锥技术制备拉制简化空芯微结构光纤，微环谐振腔的尺寸沿着光纤长度缩小几微米，使 得谐振腔长度连续变化，获得不同的尺寸的微环谐振腔。然后通过封堵空心微结构光纤端 面处的包层孔得到液芯微结构光纤，并且使用光纤中心孔填充的激光染料作为微流体增益 介质。光纤中的微环谐振腔中限制的光表现出强烈的谐振，在微环内部的微流体与空气交 界面处我们得到强径向辐射和低阈值激射光。此外，在轴向泵浦微腔染料激光器方法中，我 们通过改变沿着拉锥光纤的增益介质的液面位置，得到可调谐的激光，并且，在侧向泵浦微 腔染料激光器方法中，我们通过纵向改变微结构光纤拉锥区域的泵浦位置，能够调节微环 染料激光器的发射光谱，也得到可调谐的激光。
[0007] 所述的拉锥方法具备特定的拉锥条件，低的火焰加热温度，冷制备的条件减小了 气孔的坍塌速度，同时拉制速度足够快的条件减小了拉制过程的时间，保持光纤内部孔的 微结构不变形。这种方法能够保证光纤微结构的完整性，获得直径均匀变化的微环，而不破 坏微环的结构。
[0008] 所述的光纤中微环结构谐振腔谐振原理是由于二氧化硅壁纳米尺寸厚度，周围有 大的倏逝场，限制在二氧化硅微环中的荧光倏逝场与靠近腔的增益介质相互作用，产生受 激辐射。当泵浦光超过受激辐射的阈值时，产生激光的辐射。
[0009] 所述的改变沿着拉锥光纤的增益介质的液面位置的方法是光纤填充端连接一个 注射器，使用注射器塞子来控制中心孔气压，因此我们可以控制光纤中心液柱的长度和位 置。
[0010] 所述的拉锥微结构光纤的谐振腔可调谐特性机理在于：微结构光纤在经过拉锥 后，中心微环的尺寸同样成比例的变化。我们通过小心的控制增益介质液柱来改变激射光 的位置，这样可以得到不同尺寸的腔长，因此，微环谐振腔的腔长具有可调性。
[0011] 对于环形腔内的全内反射，驻波可以有波长形式表示，定义为：
[0012] ΝλΝ= n effLc (1)
[0013] 其中N是一个整数，λ N是激射光波长，对应于第N个纵模，L。是环形腔的长度，n eff 是微环的有效折射率。根据方程（I)，N阶纵模的谐振波长与腔长（L。）相关。因此，一个基 于简化液芯微结构光纤激光器的可调谐特性可以通过改变光纤拉锥区域的增益介质表面 位置而实现。
[0014] 本发明的优点是：这种具有紧凑精细和变化尺寸结构的谐振腔
[0015] 使用轴向泵浦方法，泵浦光能够直接与增益介质相互作用，并且沿着光纤轴向泵 浦光与光纤径向的激射光相互垂直，因此，我们同时得到强的光和物质相互作用和泵浦光 和激射光的自动分离。环绕微流体的二氧化硅微环尺寸沿着光纤长度连续缩小几个微米， 得到一个变化的谐振腔长，尺度小的谐振腔具有限制模式少和频率间隔大的优势。
【附图说明】
[0016] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0017] 图1是简化液芯微结构光纤横截面图；
[0018] 其中：1-外包层结构；2-中心空气孔填充增益介质；3-薄壁微