一种电场调控的光学行波光流体染料激光器的制造方法
【专利摘要】本发明公布了一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，现有技术系统复杂、不可调控、制备工艺要求很高。本发明利用采用光学行波光学谐振腔，将电流变效应和光流控技术相结合，构成谐染料激光器。入射泵浦光束依次经过透光孔进入光学行波光学谐振腔；光学行波光学谐振腔为双层圆柱壳状腔体，圆柱壳状腔体的外层壳体内表面设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬浮液增益，产生出射激光束；圆柱壳状腔体的内外层壳体之间施加控制电场，实现光学谐振条件和激光出射模式的调控。本发明具有光学行波腔结构、系统简单、小型化程度高、制备工艺简单、电场调控光束输出模式、光能利用率高、使用范围广、使用灵活等特点。
【专利说明】一种电场调控的光学行波光流体染料激光器
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学【技术领域】，涉及一种激光器，特别是一种电场调控的光学行波光 流体染料激光器，主要用于光电检测、光谱技术、激光测量、光纤通讯、激光加工、激光打标、 激光焊接、激光制导、激光医学、无线光通信、光学微操纵、光学显微等领域中作为激光光 源。 技术背景
[0002] 激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。 产生激光的必不可少的条件是粒子数翻转和增益大过损耗，通常，激光器装置包括：激励 源、工作介质、谐振腔。激励是工作介质吸收外来能量后激发到激发态，为实现并维持粒子 数反转创造条件；工作介质具有亚稳能级是使受激辐射占主导地位，从而实现光放大；谐 振腔可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模 式。目前，已经存在许多种激光器，常见的有气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体 激光器，近期也出现了小尺度的纳米激光器和活体生物激光器。
[0003] 近些年来微流控技术得到很大的发展，将微流控技术和光学结合，形成了新兴学 科光流控（Optofluidics)。而染料作为很好的激光增益介质，具有阈值低，波长调节范围 广，基本覆盖整个可见光区域，利用倍频技术还可以延伸至紫外和红外区域。悬浮液的状态 可以用电场来控制，科学家把它称为电流变体。并把这种现象称为"温斯洛现象"或"电流 变现象"。具有电流变效应的液体称为电流变液，电流变液在通常条件下是一种悬浮液，它 在电场的作用下可发生液体一固体的转变.当外加电场强度大大低于某个临界值时，电流 变液呈液态；当电场强度大大高于这个临界值时，它就变成固态；本质上是由于在外加电 场作用下，电流变液内部微观结构发生变化。
[0004] 在先技术中，存在基于光流控技术的染料激光光源，参见一个美国专利，美国专 利名称：Mechanically tunable elastomeric optofluidic distributed feedback dye laser，专利号：US 7,817,698，B2。该激光器具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不 足：1)系统采用光学光栅形成反馈，在三维光波导中构建光学光栅，形成分布式反馈系统， 进而形成光学谐振腔，且均为微观结构，这样从本质上是的系统对制备工艺要求很高，制备 激光器的工序复杂，难度大，整个系统复杂；2)系统中的光学微结构一旦形成则无法更改， 光学谐振腔结构不可调节，这样，导致激光器输出光束的模式不可调节，影响了光源使用范 围和应用灵活性；3):采用线型精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光 强分布不均，以及光学光栅易对激光器产生干扰；4)泵浦方式为旁轴非对称式泵浦，泵浦光 束侧面照射到光增益区域，及含有染料分子的区域，泵浦光束单次激发，光能量利用率低， 泵浦效应的均匀性不高，影响激光器输出光束质量。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种电场调控的光学行波光流体染 料激光器，具有光学行波腔结构、系统简单、小型化程度高、制备工艺简单、电场调控光束输 出模式、泵浦光能利用率高，使用范围广，光束质量好、使用灵活等特点。
[0006] 本发明的基本构思是：采用光学行波光学谐振腔，将电流变效应和光流控技术相 结合，基于染料激光工作原理，构成电场调控激光输出模式的可调谐染料激光器。入射泵 浦光束依次经过透光孔进入光学行波光学谐振腔；光学行波光学谐振腔为双层圆柱壳状腔 体，圆柱壳状腔体的内外层壳体之间为设置有染料悬浮液，圆柱壳状腔体的外层壳体内表 面设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬浮液增益，产生出射 激光束；圆柱壳状腔体的内外层壳体之间施加控制电场，实现光学谐振条件和激光出射模 式的调控。本发明不仅具有现有光流控激光器现有优点，同时具有光学行波腔结构、系统 简单、小型化程度高、制备工艺简单、电场调控光束输出模式、泵浦光能利用率高、使用范围 广、光束质量好、使用灵活等特点。
[0007] 本发明包括：泵浦光源和光学行波光学谐振腔；光学行波光学谐振腔为双层圆柱 壳状腔体，包括外层圆柱壳体、内层圆柱壳体、泵浦光入射窗口、激光出射窗口、染料悬浮液 入口和染料悬浮液出口，泵浦光源出射光束经过泵浦光入射窗口入射到光学行波光学谐振 腔腔内；外层圆柱壳体和内层圆柱壳体的圆柱体对称轴相重合，并且内层圆柱壳体圆柱径 向半径小于外层圆柱壳体径向半径，外层圆柱壳体和内层圆柱壳体之间的空腔设置有染料 颗粒悬浮液，双层圆柱壳状腔体的一个表面设有燃料悬浮液入口，双层圆柱壳状腔体的另 一个表面设有燃料悬浮液出口；泵浦光入射窗口和激光出射窗口设置在外层圆柱壳体上， 外层圆柱壳体的外表面设置有第一电极层，外层圆柱壳体的内表面设置有激光反射层，受 激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬浮液增益，产生出射激光束；内层圆柱壳体的 外表面设置有第二电极层，外层圆柱壳体外表面的第一电极和内层圆柱壳体外表面的第二 电极层之间可以施加电压，，用于调控染料颗粒悬浮液微结构变化实现输出光场调控。
[0008] 所述的泵浦光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器、染料激光器的一种。
[0009] 所述的外层圆柱壳体的外表面的第一电极层为透光导电膜层、导电金属网络层、 金属导电薄膜的一种。
[0010] 所述的外层圆柱壳体的内表面的激光反射层是对于激光反射率大于90%的多层 介质反射层和金属反射层的一种。
[0011] 所述的内层圆柱壳体的外表面的第二电极层为透光导电膜层、导电金属网络层、 金属导电薄膜的一种。
[0012] 所述的内层圆柱壳体的外表面可以在透光导电膜层靠近染料颗粒悬浮液的一侧 可以设置有对于激光反射率大于90%的多层介质反射层和金属反射层的一种。
[0013] 所述的染料悬浮液入口和染料悬浮液出口可以设置在光学行波光学谐振腔上不 影响光束传播的位置上。
[0014] 所述的泵浦光入射窗口是对泵浦光束透过率大于90%的的窗口。
[0015] 所述的第一电极和第二电极之间可以施加直流电压，也可以施加交流电压。
[0016] 本发明装置的工作过程为：泵浦光源出射光束经过泵浦光入射窗口入射到光学行 波光学谐振腔腔内；外层圆柱壳体和内层圆柱壳体的圆柱体对称轴相重合，并且内层圆柱 壳体圆柱径向半径小于外层圆柱壳体径向半径，外层圆柱壳体和内层圆柱壳体之间的空腔 设置有染料颗粒悬浮液，染料颗粒悬浮液从染料悬浮液入口流入，从染料悬浮液出口流出， 染料悬浮液入口和染料悬浮液出口设置在光学行波光学谐振腔无光场射到的壳面上；泵浦 光入射窗口和激光出射窗口设置在外层圆柱壳体上，外层圆柱壳体的外表面设置有第一电 极层，外层圆柱壳体的内表面设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过 染料悬浮液增益，产生出射激光束；内层圆柱壳体的外表面设置有第二电极层，夕卜层圆柱壳 体外表面的第一电极层和内层圆柱壳体外表面的第二电极层之间可以施加电压，用于调控 染料颗粒悬浮液微结构变化实现输出光场调控。
[0017] 本发明装置中染料分子及其使用、微流控技术、电流变液制备技术均是成熟技术。 本发明的发明点在于采用光学行波光学谐振腔，将电流变效应和光流控技术相结合，基于 染料激光工作原理，构成电场调控激光输出模式的可调谐染料激光器，提供一种具有现有 光流控激光器现有优点，同时具有光学行波腔结构、系统简单、小型化程度高、制备工艺简 单、电场调控光束输出模式、泵浦光能利用率高、使用范围广、光束质量好、使用灵活等特点 的电场调控的光学行波光流体染料激光器。
[0018] 与现有技术相比，本发明的优点： 1)在先技术中系统采用光学光栅形成反馈，在三维光波导中构建光学光栅，形成分布 式反馈系统，进而形成光学谐振腔，且均为微观结构，这样从本质上是的系统对制备工艺要 求很高，制备激光器的工序复杂，难度大，整个系统复杂；本发明采用光学行波光学谐振腔， 基于染料激光工作原理，将染料激光原理、光流控、电流变效应相结合，充分发挥为光学行 波光学谐振腔和光流控特点，提出一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，不仅具有 现有光流控激光器现有特点，同时具有光学行波腔结构、系统简单、小型化程度高、制备工 艺简单等特点。
[0019] 2)在先技术中光学微结构一旦形成则无法更改，光学谐振腔结构不可调节，这样， 导致激光器输出光束的模式不可调节，影响了光源使用范围和应用灵活性；本发明中将电 流变效应和光流控技术相结合形成可调控光学谐振腔，基于染料激光工作原理，构成电场 调控激光输出模式的可调谐激光器，实现电场调控激光输出光束特性，更加灵活地调控输 出激光，所以本发明可以实现激光束输出模式的改变，实现高光束质量的可控输出光束模 式，拓展了应用范围，提高了激光器的使用灵活性。
[0020] 3)在先技术采用线型精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光 强分布不均，以及光学光栅易对激光器产生干扰；本发明采用光学行波光学谐振腔进行激 光光反馈，由于光学行波不存在驻波中出现的光场节点现象，行波的光场分布比较均匀，有 效地降低了激光光场在谐振腔内对染料的影响，已经显著降低了光场热效应对激光工作性 能的影响。
[0021] 4)在先技术中泵浦方式为旁轴非对称式泵浦，泵浦光束侧面照射到光增益区域， 及含有染料分子的区域，泵浦光束单次激发，光能量利用率低，泵浦效应的均匀性不高，影 响激光器输出光束质量；本发明采用泵浦光束耦合到光学行波光学谐振腔中进行泵浦，泵 浦光场可以在谐振腔传播，有效地提高了泵浦光能利用率，并且由于对泵浦光束入射情况 没有，本发明可以实现具有轴对称式光泵浦。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为本发明的垂直圆柱面对称轴的切面结构示意图。
[0023] 图2为本发明的沿着圆柱面对称轴的切面结构示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0025] 如图1所示，一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，包括泵浦光源1和光学 行波光学谐振腔2 ;光学行波光学谐振腔2为双层圆柱壳状腔体，包括外层圆柱壳体201、内 层圆柱壳体202、泵浦光入射窗口 203、激光出射窗口 204、染料悬浮液入口 205和染料悬浮 液出口 206,泵浦光源1出射光束经过泵浦光入射窗口 203入射到光学行波光学谐振腔2腔 内；外层圆柱壳体201和内层圆柱壳体202的圆柱体对称轴相重合，并且内层圆柱壳体202 圆柱径向半径小于外层圆柱壳体201径向半径，夕卜层圆柱壳体201和内层圆柱壳体202之 间的空腔设置有染料颗粒悬浮液207,染料颗粒悬浮液207从染料悬浮液入口 205流入，从 染料悬浮液出口 206流出，染料悬浮液入口 205和染料悬浮液出口 206设置在光学行波光 学谐振腔2无光场射到的壳面上；泵浦光入射窗口 203和激光出射窗口 204设置在外层圆 柱壳体201上，外层圆柱壳体201的外表面设置有第一电极层，外层圆柱壳体201的内表面 设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬浮液增益，产生出射激 光束；内层圆柱壳体202的外表面设置有第二电极层，外层圆柱壳体201外表面的第一电极 层和内层圆柱壳体202外表面的第二电极层之间可以施加电压，用于调控染料颗粒悬浮液 207微结构变化实现输出光场调控。
[0026] 本实施例中在本实施例中，泵浦光源1采用倍频YAG激光器出射的波长为532纳 米的光束；光学行波光学谐振腔2均采用石英材料；外层圆柱壳体201为直径6. 8毫米，厚 度为1毫米的圆柱管；内层圆柱壳体202为直径4毫米，厚度为1毫米的圆柱管；泵浦光入 射窗口 203和激光出射窗口 204均设置在外层圆柱壳体201上，泵浦光入射窗口 203为对 泵浦光透过率97%，对激光反射率99%的窗口，激光出射窗口 204为对激光反射率为90%的 窗口；染料颗粒为罗丹明6G分子复合颗粒，染料颗粒悬浮液207为罗丹明6G分子复合颗粒 分散到绝缘油中；，染料悬浮液入口 205和染料悬浮液出口 206设置在光学行波光学谐振 腔2无光场射到的侧面圆环形壳面上，外层圆柱壳体201外表面的第一电极层和内层圆柱 壳体202外表面的第二电极层为透明导电膜层，之间施加直流电压。
[0027] 本发明装置的工作过程为：泵浦光源1出射光束经过泵浦光入射窗口 203入射到 光学行波光学谐振腔2腔内；外层圆柱壳体201和内层圆柱壳体202的圆柱体对称轴相重 合，并且内层圆柱壳体202圆柱径向半径小于外层圆柱壳体201径向半径，外层圆柱壳体 201和内层圆柱壳体202之间的空腔设置有染料颗粒悬浮液207,染料颗粒悬浮液207从染 料悬浮液入口 205流入，从染料悬浮液出口 206流出；泵浦光入射窗口 203和激光出射窗 口 204设置在外层圆柱壳体201上，外层圆柱壳体201的外表面设置有第一电极层，外层圆 柱壳体201的内表面设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬 浮液增益，产生出射激光束；内层圆柱壳体202的外表面设置有第二电极层，夕卜层圆柱壳体 201外表面的第一电极层和内层圆柱壳体202外表面的第二电极层之间可以施加电压，用 于调控染料颗粒悬浮液207微结构变化实现输出光场调控。本实施例成功实现了 570纳米 的高质量可调控输出，本发明不仅具有现有光流控激光器现有优点，具有光学行波腔结构、 系统简单、小型化程度高、制备工艺简单、电场调控光束输出模式、泵浦光能利用率高、使用
【权利要求】
1. 一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，包括：泵浦光源和光学行波光学谐振 腔；光学行波光学谐振腔为双层圆柱壳状腔体，包括外层圆柱壳体、内层圆柱壳体、泵浦光 入射窗口、激光出射窗口、染料悬浮液入口和染料悬浮液出口，泵浦光源出射光束经过泵浦 光入射窗口入射到光学行波光学谐振腔腔内；外层圆柱壳体和内层圆柱壳体的圆柱体对称 轴相重合，并且内层圆柱壳体圆柱径向半径小于外层圆柱壳体径向半径，外层圆柱壳体和 内层圆柱壳体之间的空腔设置有染料颗粒悬浮液，双层圆柱壳状腔体的一个表面设有燃料 悬浮液入口，双层圆柱壳状腔体的另一个表面设有燃料悬浮液出口；泵浦光入射窗口和激 光出射窗口设置在外层圆柱壳体上，外层圆柱壳体的外表面设置有第一电极层，外层圆柱 壳体的内表面设置有激光反射层，受激辐射光场经过多次行波反射，并经过染料悬浮液增 益，产生出射激光束；内层圆柱壳体的外表面设置有第二电极层，夕卜层圆柱壳体外表面的第 一电极和内层圆柱壳体外表面的第二电极层之间可以施加电压，用于调控染料颗粒悬浮液 微结构变化实现输出光场调控。
2. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的泵浦光源为气体激光器、半导体激光器、固体激光器、染料激光器的一种。
3. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的外层圆柱壳体的外表面的第一电极层为透光导电膜层、导电金属网络层、金属导电 薄膜的一种。
4. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的外层圆柱壳体的内表面的激光反射层是对于激光反射率大于90%的多层介质反射 层和金属反射层的一种。
5. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的内层圆柱壳体的外表面的第二电极层为透光导电膜层、导电金属网络层、金属导电 薄膜的一种。
6. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的内层圆柱壳体的外表面在透光导电膜层靠近染料颗粒悬浮液的一侧设置有对于激 光反射率大于90%的多层介质反射层或金属反射层。
7. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的染料悬浮液入口和染料悬浮液出口可以设置在光学行波光学谐振腔上不影响光束 传播的位置上。
8. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的泵浦光入射窗口是对泵浦光束透过率大于90%的的窗口。
9. 根据权利要求1所述的一种电场调控的光学行波光流体染料激光器，其特征在于： 所述的第一电极和第二电极之间施加直流电压或施加交流电压。
【文档编号】H01S3/10GK104104008SQ201410291314
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】高秀敏, 逯鑫淼, 李楠, 张艳林, 张宇 申请人:杭州电子科技大学