在线控制聚合物光纤随机激光发射波长的方法与流程

本发明涉及光纤领域，具体是一种在线控制聚合物光纤随机激光发射波长的方法。

背景技术：

随机激光不同于传统的激光，在无序光增益介质中光的多重散射实现光反馈。自从Letokhov在理论上提出随机激光以来，随机激光就被广泛的研究并且应用。为了提高随机激光的效率和控制随机激光的方向，人们利用光纤的一维束缚作用得到高效率、低阈值以及有方向性的随机激光，我们成为光纤随机激光。随机激光没有确定的光学谐振腔，这也就导致了发射光谱的不可预知性。所以，控制随机激光也相应的成为了一个难题。而本发明就是发明了一种在线控制聚合物光纤随机激光发射波长的方法。

聚合物光纤由于它的灵活性、低成本、易处理、有机材料和大数值孔径受到了很多的关注。它们已经被应用在各种各样的领域，例如短距离光通信、光纤传感器和照明设备。随着聚合物光纤的发展，据报道，在有源聚合物光纤放大器和激光器领域已经做了大量研究。

另外，聚合物光纤具备一个重要性质：聚合物具有大的负热光系数，即随着温度T的升高，聚合物折射率n变小。随机激光发射波长跟散射平均自由程l_s有关系，然而l_s受材料折射率n的影响，所以我们就可以通过改变温度很容易的在负热系数的材料上控制随机激光发射波长。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种实时控制聚合物光纤随机激光发射波长的方法，获取不同波长的聚合物光纤随机激光。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种在线控制聚合物光纤随机激光发射波长的方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)获取聚合物光纤

a)制作空芯聚合物预制棒

首先利用Teflon法，将甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的共聚物先制作成空芯聚合物预制棒，甲基丙烯酸甲酯与丙烯酸丁酯的质量分数分别为66％-88％和11％-33％；

b)调配构成纤芯的物料

构成纤芯的物料包括有甲基丙烯酸甲酯、甲酯丙烯酸苄酯和掺杂的杂质，甲基丙烯酸甲酯和甲酯丙烯酸苄酯的质量分数分别是70％-90％和10％-30％；

第一种聚合物光纤PMPOF，纤芯中掺杂的杂质为PM597染料，PM597染料的质量分数是0.1wt.％-0.2wt.％；

第二种聚合物光纤FePOF，纤芯中掺杂的杂质为PM597染料和Fe₃O₄/SiO₂纳米颗粒，PM597染料和Fe₃O₄/SiO₂纳米颗粒的质量分数分别是0.1wt.％-0.2wt.％和1.0wt.％-3.0wt.％；

第三种聚合物光纤POPOF，纤芯中掺杂的杂质为PM597染料和POSS纳米颗粒，PM597染料和POSS纳米颗粒的质量分数分别是0.1wt.％-0.2wt.％和22.0wt.％-24.0wt.％；

c)把纤芯注入到空芯聚合物预制棒中

把纤芯注入到空芯聚合物预制棒中，热固化之后得到不同的聚合物光纤预制棒，不同的聚合物光纤预制棒在拉丝塔下被拉制成三种不同的聚合物光纤；

(2)聚合物光纤随机激光测试及温控发射波长

a)测试聚合物光纤随机激光，将泵浦激光器作为泵浦光源，所发射泵浦激光通过控制其能量和偏振方向的格兰镜组，再通过10cm焦距的凸透镜耦合入聚合物光纤样品，用三维调节架调节样品位置使得泵浦激光最优耦合进入样品，用560nm以上的滤波片过滤掉残留泵浦光源，使用光纤光谱仪(QE65PRO，Ocean Optics，分辨率～0.4nm，积分时间100ms)接收聚合物光纤发出的随机激光，光纤探头固定在三维调节架上，调节探头接收最强激光强度；

b)聚合物光纤样品下面有一个温度控制装置，分别选取1cm-5cm的FePOF、POPOF和PMPOF样品，室温下测量随机激光光谱，并增加温度，检测不同温度下的光谱对比说明温度对随机激光波长的影响。

本发明的原理是：

本发明第一次实现了在线温控聚合物光纤随机激光发射波长，这种在线温控的实现，主要是利用了聚合物光纤的聚合物具有大的负热光系数这一性质，即随着温度T的升高，聚合物折射率n变小；随机激光发射波长跟散射平均自由程l_s有关系，然而l_s受材料折射率n的影响，所以我们就可以通过改变温度很容易的在负热系数的材料上控制随机激光发射波长。

本发明的有益效果在于：

本发明的方法在实时温控聚合物光纤随机激光波长实验中可多次重复，在随机激光的控制方面将具有重要意义。

附图说明

图1是与本发明实施例一致的纳米颗粒掺杂的聚合物光纤制备过程图。

图2是与本发明实施例一致的POPOF的纤芯折射率随温度变化的关系图。

图3(a)是与本发明实施例一致的不同温度下FePOF随机激光发射光谱图，插图为温度与随机激光主峰波长关系图。

图3(b)是与本发明实施例一致的对同一样品进行三次实验所测得的温度与激光波长关系图。

图4(a)是与本发明实施例一致的不同温度下POPOF随机激光发射光谱图，插图为温度与随机激光主峰波长关系图。

图4(b)是与本发明实施例一致的对同一样品进行三次实验所测得的温度与激光波长关系图。

图5(a)是与本发明实施例一致的不同温度下PMPOF随机激光发射光谱图，插图为温度与随机激光主峰波长关系图。

图5(b)是与本发明实施例一致的对同一样品进行三次实验所测得的温度与激光波长关系图。

具体实施方式

实验获得温度跟随机激光发射波长的关系

选用聚合物光纤样品实现在线控制随机激光发射波长，就是利用了聚合物光纤有大的热光系数这个性质。聚合物光纤在不同的温度下，其折射率也会发生改变，两者的具体关系我们通过实验来测量得出，我们以POPOF为例进行试验说明。

如图2是POPOF纤芯折射率随温度变化的关系图。从图中可以看出纤芯折射率跟温度并不是线性关系，而是在50℃时发生突变，折射率随温度的增加减小的更快。两者关系我们可以用下式表示：

25℃时纤芯折射率为1.4931，而100℃时的折射率是1.4722，温度升高到75℃折射率减小了0.0209。

在散射体系中，散射平均自由程可以表示为：

其中，λ是随机激光发射波长，d是散射体的直径，f是填充系数(r散射体的半径，ρ是散射体的密度)，n是光纤纤芯折射率。具有小的散射平均自由程的聚合物光纤，相对于具有大的散射平均自由程的聚合物光纤发射的随机激光波长会发生蓝移现象。从公式(1.2)我们可以看出，纤芯折射率的改变会影响散射平均自由程的大小，公式(1.1)显示温度会改变纤芯折射率，综合起来可以得出，温度可以改变散射平均自由程，而散射平均自由程与随机激光的发射波长有关，所有可以实现温度在线控制随机激光发射波长。

实施例一 以FePOF为实验样本

1.实验测量温控随机激光波长

理论上温度可以在线控制聚合物光纤随机激光发射波长，为了进一步验证这一理论，从实验上测量不同温度下聚合物光纤随机激光发射波长。

如图3(a)是实验测得样品FePOF在不同温度下随机激光发射光谱图，激光泵浦能量为0.465mJ可以明显看出不同温度下光谱图发生了移动，并且随着温度的升高，随机激光发射光谱发生了红移现象。如图3(a)插图，为了定量的去分析这种红移现象，我们作了温度跟主峰波长的关系图。25℃时主峰波长是573.7nm，当温度升高到70℃时，主峰波长变为592.2nm。随着温度的升高主峰波长在逐渐变大，而且明显的两者之间并不是线性关系，从图中可以看出大约在50℃以后主峰波长随温度的升高变大的也更快了。

2.样品可循环性实验

实验是否具有可重复性至关重要。所以为了证明实验的可重复性，如图3(b)，使用同一个FePOF样品多次重复做了在线温控聚合物光纤随机激光发射波长的实验。显然，随着温度的升高激光波峰整体发生红移，同一FePOF样品的三次实验都会出现同样的现象。实验结果显示，FePOF样品可重复使用，且实验结果都说明温度可以在线控制激光发射波长。

实施例二 以POPOF为实验样本

1.实验测量温控随机激光波长

如图4(a)是实验测得样品POPOF在不同温度下随机激光发射光谱图，实验结果显示，激光泵浦能量为0.466mJ时，实验测得从25℃到70℃的6个不同温度下的激光光谱，这六个光谱都不一样，随着温度的升高，激光光谱发生了红移。如图4(a)插图，为了定量的去分析这种红移现象，作了温度跟主峰波长的关系图。25℃、35℃、45℃、55℃、65℃和70℃对应的主峰波长分别是568.2nm、568.5nm、571.0nm、578.5nm、582.4nm和586.1nm。主峰波长从568.2nm红移到586.1nm，发生了很大红移。

2.样品可循环性实验

如图4(b)，使用同一个POPOF样品多次重复做了在线温控聚合物光纤随机激光发射波长的实验。显的看出，随着温度的升高激光波峰整体发生红移，同一POPOF样品的三次实验都会出现同样的现象。实验结果显示，POPOF样品可重复使用，且实验结果都说明了温度可以在线控制激光发射波长。

实施例三 以PMPOF为实验样本

1.实验测量温控随机激光波长

对只掺杂PM597染料的PMPOF样品测试，测试结果如图5(a)所示。图5(a)是不同温度下的激光发射光谱图，激光泵浦能量是0.428mJ。如图5(a)插图所示，不同温度下随机激光光谱不同，随着温度的升高发生了红移。图中显示激光主峰波长从25℃时的585.2nm红移到70℃时的597.5nm，红移12.3nm。

2.样品可循环性实验

如图5(b)，使用同一个PMPOF样品多次重复做了在线温控聚合物光纤随机激光发射波长的实验。显然，随着温度的升高激光波峰整体发生红移，同一PMPOF样品的三次实验都出现同样的现象。实验结果显示，PMPOF样品可重复使用，并且每次实验结果都说明了温度可以在线控制激光发射波长。

综合对三种不同掺杂的聚合物光纤随机激光的测量结果，可以看出温度对随机激光波长有影响，温度的升高可以控制随机激光发射波长发生红移。这是因为温度升高。聚合物光纤纤芯折射率减小，散射平均自由程l_s增大，l_s越大激光发射波长就越长。

三种样品都可以重复使用，并且每次的实验结果都相似，随着温度的升高，聚合物光纤随机激光发射波长整体出现红移，这再一次证明了温度可在线控制聚合物光纤随机激光发射波长。