本发明属于激光及光流控技术领域，涉及一种激光器及其制备方法和应用，采用沿光纤轴向光抽运方式，通过抽运光的消逝场激励增益，在不改变抽运光波长的情况下，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，在一块芯片上实现多种组分的同时检测。
背景技术：
利荧光共振能量转移(fluorescentresonanceenergytransfer,fret)是指在两个不同的荧光基团中，如果一个荧光基团（供体donor）的发射光谱与另一个基团荧光（受体acceptor）的吸收光谱有一定的重叠，当这两个荧光基团间的距离合适时（一般为1~10nm），就可观察到荧光能量由供体向受体转移的现象，即以前一种基团的激发波长激发时，可观察到后一个基团发射的荧光。fret是一种非辐射能量跃迁，通过分子间的电偶极相互作用，将供体激发态能量转移到受体激发态的过程，使供体荧光强度降低，而受体荧光强度增强。目前fret方法中供受体对大多采用有机染料，而多数情况下有机染料的激发光谱都较窄，所以用同一个抽运光很难同时激发多种组分，而其荧光光谱又较宽，分布不对称，在进行生化探测时，给区分不同探针分子的荧光带来困难，因此要同时检测多种组分较为困难。尽管荧光有机分子有很好的生物相溶性，但不同荧光分子须要不同波长的抽运光激发，因此，要同时检测多种组分，就须要不同波长的抽运光，这样会造成较强的激发光背景噪声，不利于检测；同时，不同波长抽运之间的重叠也会使得各个能量供受体间的能量转移变得不明显，增加数据分析的复杂性。有机染料最严重的缺陷是光稳定性较差，长时间的抽运会使得染料分子被漂白。因此，传统的fret机制不利于高灵敏度的生化检测。为解决传统fret机制存在的上述问题，本发明人对消逝波激励的回音壁模式光纤激光器进行了比较系统深入的研究：(y.x.zhang，x.y.pu，k.zhu，etal.，thresholdpropertyofwhispering-gallery-modefiberlaserspumpedbyevanescent-wave[j]，j.opt.soc.am.b.2011，28（8）：2048-2056；y.x.zhang，x.y.pu，l.feng，etal.，polarizationcharacteristicsofwhisperinggallerymodefiberlaserbasedonevanescentwavecoupledgain[j]，opt.express,2013，21（10）：12617-12628;张远宪，张晓晓，刘春，普小云，基于pdms基片的回音壁模式光纤激光器[j]，中国激光，2013，39(11)，1102001；张远宪，普小云，刘春，冯黎，一种基于pdms的多波段回音壁模式光纤激光器及其加工方法，中国发明专利，授权时间；2013.11.20，专利号：zl201210178462.3），这种光纤激光器将一根石英光纤插入有增益包层溶液的玻璃套管或pdms中，在沿光纤轴向消逝波光抽运的条件下实现了回音壁模式激光辐射。然而，这种光纤激光器不能实现染料增益介质的循环流动，使得染料分子容易被漂白，导致激光器的光稳定性较差。另一方面，对于同一抽运光，很难实现较大波长范围可调谐的低阈值激光辐射。为此，开发一种能够微型化，集成度高，能实现增益介质循环流动且在低阈值条件下实现多种组分的高灵敏度检测的荧光共振能量转移光流控激光器是具有广阔的应用前景的。
技术实现要素：
本发明的第一目的在于提供一种荧光共振能量转移光流控激光器。
本发明的第二目的在于提供一种荧光共振能量转移光流控激光器的制备方法。
本发明的第三目的在于提供一种荧光共振能量转移光流控激光器的应用。
本发明的第一目的是这样实现的，以聚二甲基硅氧烷pdms作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，所述pdms基片与导光光纤耦合处设置至少一道增益介质沟槽，所述增益介质沟槽内填充包层介质溶液，所述增益介质沟槽一端设置流体入口通道、另一端设置流体出口通道，所述流体入口通道的进口和和流体出口通道的出口均设置微型蠕动泵。
本发明的第二目的是这样实现的，以聚二甲基硅氧烷pdms作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，将一根单一折射率n1的石英光纤和至少一个增益介质沟槽集成到较低折射率n2的pdms基片中，在增益介质沟槽端部垂直开刻流体入口通道和流体出口通道，在增益介质沟槽中分段注入低折射率n3的增益包层介质溶液，所述的n1＞n2且n1＞n3，在流体入口通道的入口处和流体出口通道的出口处安装微型蠕动泵；采用沿石英光纤轴向消逝波光抽运方式，抽运光从石英光纤的端面进入后在导光光纤内传播；
本发明的第三目的是这样实现的，利用荧光共振能量转移激光的低阈值特性，实现高灵敏度的生物、化学检测。
本发明装置结构简单，采用沿石英光纤轴向消逝波光抽运方式，抽运光从石英光纤的端面进入后在导光光纤内传播，不会损伤光纤外的材料结构；每个增益介质沟槽都与一个流体入口和流体出口连接，其流体入口和出口均由微型蠕动泵连接，用于向光纤轴向不同沟槽分段填充增益包层介质，并实现沟槽中流体的循环流动，从而使得沟槽中染料分子不容易被漂白，形成一种光稳定性较好的荧光共振能量转移光流控激光器。本发明在不改变抽运光波长的情况下，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，实现任意较长波长的激光辐射。本发明在不改变抽运光波长的情况下，沿光纤轴向不同沟槽填入不同染料增益包层溶液，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，实现可调谐的多波段激光辐射。本发明可沿光纤轴向的不同沟槽中填入同一种混合物，利用分子间的荧光共振能量转移机制实现多种组份的同时检测。本发明可沿光纤轴向的不同沟槽中填入不同化合物，利用分子间的荧光共振能量转移机制实现多种组份的同时检测。本发明利用fret激光的低阈值特性，可实现高灵敏度的生物、化学检测。
本发明荧光共振能量转移光流控激光器的制备方法过程简单，成本低廉，染料增益包层介质溶液处于光纤外部的沟槽中，由抽运光的消逝场激励染料分子形成激光增益，而不是抽运光直接激励染料产生增益，大大减少了抽运光背景的影响。
本发明石英光纤构成激光通道，且在不改变抽运光波长的条件下，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，由于不同的生物化学成分的激光光谱波段不同，因此可实现低阈值条件下多种组分的高灵敏度检测。
附图说明
图1为本发明工作原理示意图；
图2为单波段荧光共振能量转移光流控激光器；
图中：1-导光光纤、2-增益介质沟槽、3-流体入口通道、4-pdms、5-流体出口通道、6-抽运光，7-微型蠕动泵；
图3为罗丹明b及lds821的吸收和荧光光谱；
图4为以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移荧光光谱；
图5为以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移的效率efficiency随能量受体与能量供体浓度比a/d的变化关系；
图6为以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移的效率efficiency随染料分子间距r的变化关系；
图7为以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移激光的低分辨率光谱；
图8为以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的罗丹明b、lds821以及罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体的激光阈值随抽运能量的变化关系；
图9为以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移激光的中等分辨率的罗丹明b的激光光谱；
图10为以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移激光的中等分辨率的lds821的激光光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不得以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。
如图1~10所示，本发明装置以聚二甲基硅氧烷pdms作为基片将激光器及导光光纤1集成在一块芯片上，其特征是：所述pdms基片4与导光光纤1耦合处设置至少一道增益介质沟槽2，所述增益介质沟槽2内填充包层介质溶液，所述增益介质沟槽2侧面设置流体入口通道3和流体出口通道5，所述流体入口通道3的进口和和流体出口通道5的出口均设置微型蠕动泵7。
导光光纤设置为单一折射率石英光纤。
本发明所述的荧光共振能量转移光流控激光器的制备方法，
a、将一根单一折射率n1的石英光纤和至少一个增益介质沟槽集成到较低折射率n2的pdms基片中，在增益介质沟槽侧面开刻流体入口通道和流体出口通道，在增益介质沟槽中分段注入低折射率n3的增益包层介质溶液，所述的n1＞n2且n1＞n3，在流体入口通道的入口处和流体出口通道的出口处安装微型蠕动泵
b、采用沿石英光纤轴向消逝波光抽运方式，抽运光从石英光纤的端面进入后在导光光纤内传播；
增益包层溶液由能量供体溶液和能量受体溶液混合而成，荧光共振能量转移的效率η由（1）式获得：
式中c是能量受体溶液浓度，c0是荧光共振能量转移效率η=50%时的能量受体浓度。
荧光共振能量转移效率η=50%时，能量供受体分子间的fӧrster距离r0由（2）式获得
式中n是阿伏伽德罗常数。
所述能量供受体分子间的距离r由（3）式获得
式中
所述能量供体的辐射光谱和能量受体的吸收光谱要有重叠。
所述的增益介质沟槽中分段填入的低折射率n3的增益包层介质混合溶液，混合溶液中能量供体为二苯乙烯420、香豆素500、罗丹明6g、罗丹明b、罗丹明640中的任意一种或一种以上；能量受体为罗丹明6g、罗丹明b、罗丹明640、lds698、lds722、尼尔兰以及lds821中的任意一种或一种以上。
混合溶液中能量供体和能量受体的折射率相同，浓度不同，能量供受体分子间的距离r通过改变二者的浓度比获得。其中能量供体的浓度介于1×10-3mm~1mm之间，能量受体的浓度介于1×10-3mm~10mm之间。
本发明应用利用荧光共振能量转移激光的低阈值特性，实现高灵敏度的生物、化学检测。在不改变抽运光波长的情况下，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，可实现任意较长波长的激光辐射。
在不改变抽运光波长的情况下，沿光纤轴向不同沟槽填入不同染料增益包层溶液，利用染料分子间的荧光共振能量转移机制，可实现可调谐的多波段激光辐射。
可沿光纤轴向的不同沟槽中填入同一种混合物，利用分子间的荧光共振能量转移机制实现多种组份的同时检测。
可沿光纤轴向的不同沟槽中填入不同化合物，利用分子间的荧光共振能量转移机制实现多种组份的同时检测。
本发明的工作原理：
单一折射率的石英光纤和植入到的pdms基片，pdms基片上的每个增益介质沟槽均与一个流体入口通道和流体出口通道连接，流体入口通道和流体出口通道均与微型蠕动泵连接。微型蠕动泵的作用是用于向光纤轴向不同增益介质沟槽分段填充增益包层介质，且实现沟槽中流体的循环流动。抽运光沿光纤轴向抽运，染料增益介质沟槽中处于圆柱形微腔(垂直于光纤轴向的截面)回音壁模式消逝场中的光子在增益包层中产生受激辐射，并在圆柱形微腔回音壁模式的支持下形成激光辐射。
具体实施方式
实施例1
图3是采用图2所示装置，用波长为532nm的连续波激光激励的荧光光谱。图中罗丹明b的乙醇溶液以及lds821的乙醇溶液的吸收光谱由紫外分光光度计测得。图中：黑色粗实线为罗丹明b的吸收光谱；黑色细实线为罗丹明b的荧光光谱；灰色粗实线为lds821的吸收光谱；灰色细实线为lds821的荧光光谱。横坐标为波长，单位是纳米，纵坐标为吸收及荧光辐射光谱的归一化强度，单位是任意单位。波长范围在450～600nm之间的吸收光谱由罗丹明b的乙醇溶液产生；波长范围在540～720nm之间的荧光辐射光谱由罗丹明b的乙醇溶液产生。波长范围在450～800nm之间的吸收光谱由lds821的乙醇溶液产生；波长范围在650～900nm之间的荧光辐射光谱由lds821的乙醇溶液产生。
实施例2
图4是采用图2所示装置，以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移荧光光谱。其中罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5-8mm。波长范围在540～720nm之间的荧光辐射光谱由罗丹明b的乙醇溶液产生。波长范围在720～900nm之间的荧光辐射光谱由lds821的乙醇溶液产生。
实施例3
图5是采用图2所示装置，以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移效率efficiency随能量受体与能量供体浓度比a/d的变化关系。其中罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5mm~8mm。罗丹明b及lds821的溶剂均为乙醇。三角形符号“▲”表示实验值，实线为理论计算值。a/d指能量受体和能量供体之间的浓度之比。
实施例4
图6是采用图2所示装置，以波长为532nm的连续波激光激励的荧光共振能量转移效率efficiency随染料分子间距r的变化关系。其中罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5mm~8mm。罗丹明b及lds821的溶剂均为乙醇。三角形符号“▲”表示实验值，实线为理论计算值。
实施例5
图7是采用图2所示装置，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移激光用密度为150g/mm的光栅采集到低分辨率光谱。其中罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5mm~8mm。罗丹明b及lds821的溶剂均为乙醇。
实施例6
图8是采用图2所示装置，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的罗丹明b、lds821以及罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体的激光阈值随抽运能量的变化关系。其中罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。供受体溶剂均为乙醇溶液。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为8mm。由图可知：罗丹明b的阈值为4.8μj/mm2,罗丹明b与lds821的混合溶液中lds821的阈值为12.6μj/mm2，纯lds821的阈值为16.9μj/mm2。由于供体罗丹明b的能量转移给了受体lds821，从而使得罗丹明b与lds821混合溶液中lds821的激光阈值远小于纯lds821的激光阈值。其中点“■”、“▲”、“●”分别表示表示罗丹明b、罗丹明b与lds821的混合溶液中lds821以及纯lds821的实验值，实线为拟合值。
实施例7
图9是采用图1所示装置，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移用密度为1200g/mm的光栅采集到中等分辨率的罗丹明b的激光光谱。罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。供受体溶剂均为乙醇溶液。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5mm~8mm。图9-a—9-e能量受体与能量供体的浓度比值a/d分别为0:0.5，0.5:0.5，1:0.5，5:0.5以及8:0.5。由图可知，随着受体浓度的增加，荧光共振能量转移的效率增大，罗丹明b的激光辐射强度不断减弱。
实施例8
图10是采用图1所示装置，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光的荧光共振能量转移用密度为1200g/mm的光栅采集到中等分辨率的lds821的激光光谱。罗丹明b为能量供体，lds821为能量受体。供受体溶剂均为乙醇溶液。罗丹明b的浓度为0.5mm，lds821为0.5mm~8mm。图10-a—10-e能量受体与能量供体的浓度比值a/d分别为0:0.5，0.5:0.5，1:0.5，5:0.5以及8:0.5。由图可知，随着受体浓度的增加，荧光共振能量转移的效率增大，lds821的激光辐射强度不断增强。
实施例9
在图2所示的光纤沟槽2中填入二苯乙烯420和罗丹明6g的混合溶液，其中二苯乙烯420作为能量供体，其浓度为1×10-3mm，罗丹明6g作为能量受体，其浓度为1×10-3mm，以波长为355nm的三倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现罗丹明6g（绿色波段）的激光辐射。
实施例10
在图2所示的光纤沟槽2中填入香豆素500和罗丹明b的混合溶液，其中香豆素500作为能量受体，其浓度为0.5mm，罗丹明b作为能量受体，其浓度为0.5mm，以波长为355nm的三倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现罗丹明b（橙色波段）的激光辐射。
实施例11
在图2所示的光纤沟槽2中填入罗丹明b和罗丹明640的混合溶液，其中罗丹明b作为能量受体，其浓度为1mm，罗丹明640作为能量受体，其浓度为1mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现罗丹明640（红色波段）的激光辐射。
实施例12
在图2所示的光纤沟槽2中填入罗丹明b和lds698的混合溶液，其中罗丹明b作为能量受体，其浓度为1mm，lds698作为能量受体，其浓度为10mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现lds698（红色波段）的激光辐射。
实施例13
在图2所示的光纤沟槽2中填入罗丹明b和lds722的混合溶液，其中罗丹明b作为能量受体，其浓度为0.1mm，lds722作为能量受体，其浓度为10mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现lds722（近红外波段）的激光辐射。
实施例14
在图2所示的光纤沟槽2中填入罗丹明640和lds722的混合溶液，其中罗丹明640作为能量受体，其浓度为0.1mm，lds722作为能量受体，其浓度为10mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现lds722（近红外波段）的激光辐射。
实施例15
在图2所示的光纤沟槽2中填入罗丹明6g和尼尔兰的混合溶液，其中罗丹明6g作为能量受体，其浓度为0.1mm，尼尔兰作为能量受体，其浓度为10mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现尼尔兰（近红外波段）的激光辐射。
实施例16
在图2所示的五个光纤沟槽2中填入罗丹明6g和lds821的混合溶液，其中罗丹明6g作为能量受体，其浓度为0.1mm，lds821作为能量受体，其浓度为10mm，以波长为532nm的倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中实现lds821（近红外波段）的激光辐射。
实施例17
在图1所示的五个光纤沟槽2中分别填入实施例9-实施例16中的任意五种混合溶液，以波长为355nm的三倍频yag激光器作为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向传播，在导光光纤中同时实现多个波段的激光辐射。