三维非对称微谐振腔聚合物单模激光器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于染料微谐振腔激光器技术领域，具体涉及一种三维几何非对称结构的 微谐振腔聚合物单模激光器。
【背景技术】
[0002] 微腔激光器是近年来电子学和光子学中积极发展的一个重要领域，其核心部分就 是能提供较小的模式体积限制和较高的品质因数的微谐振腔。最为常见的是基于不同折 射率材料在界面位置处发生的光的全反射传播的回音壁模式微谐振腔，来提供对于激射模 式的限制和选择。回音壁式微谐振腔在几何结构上一般为对称形状，例如平面的圆盘、圆环 形，立体的球形、半球形、圆柱形，这些微谐振腔具有体积小、制备简单、集成度高、较大的品 质因数等优点，因而得到了广泛的应用。
[0003] 对于微腔激光器的增益介质而言，常见的激光染料一般具有较大的荧光放大范 围，因此染料微谐振腔激光器一般能够产生若干波长相近的多激射模式的激光振荡，使得 激光器出射的激光的单色性不强。减小微腔激光器的尺寸，虽然有利于形成单模振荡的激 光出射，但其所带来的品质因数的下降和激光阈值的提升，也为其在实际应用上带来了极 大的弊端。同时，基于回音壁模式的微谐振腔基本都是几何对称形状，因此在由其组成的染 料微激光器中，其所产出的激光沿着几何对称微谐振腔的各个方向均匀的出射。因此染料 微腔激光器在空间范围内的发射分布是几何对称，在频域内是多个不同模式的激光同时出 射。
[0004] 飞秒激光具有超短持续时间和超强峰值功率，可实现对透明介质的超精细、低损 伤和超高空间分辨率的非热熔性"冷"加工，使其在微光学、微机械、微流控和微传感等诸多 领域展现了广阔的应用前景。飞秒激光微纳加工是一种非线性加工技术，尤其在应用于微 谐振腔结构加工时，具有很多显著优势：（1)形状设计性强：激光可以无损耗的聚焦到材料 内部，并采用逐点扫描的方式对极小区域内的材料进行改性，因此可以实现真正的三维立 体、错综复杂形状的微谐振腔的加工。（2)加工的分辨率高：加工的非线性过程中光子等吸 收的截面很小，因此激光与被加工的材料的光化学改性反应被局限在焦点附近极小的高光 子密度区域；另外由二维高速扫描转镜和精密陶瓷压电平台为主要元件组成的三维精密移 动系统可以控制聚焦光斑在纳米量级上精密移动，使得飞秒激光加工系统可以突破传统的 光学衍射极限。（3)加工材料范围广泛：飞秒激光脉冲的瞬时功率极大，绝大部分激光能量 在材料中以多光子形式吸收，在空气中几乎可以和大多数材料相互作用，例如玻璃、聚合物 材料等等。
[0005] 聚合物材料其本身所独特的优越性质，如比强度高，韧性高，耐疲劳性好，耐腐蚀， 密度小，很高的电阻率，较低的成本等等，尤其是部分高分子聚合物容易吸收紫外或红外以 可见光波段的光，利于进行双光子吸收进行光化学反应。因此具有更大的发展空间和更广 阔的应用领域。但传统聚合物激光器需要一个支柱来增加微谐振腔与周围环境的折射率的 差异和避免由光泄露所引起的损耗（参考文献1~3)，而这种支柱的存在会使得制备出的 微谐振腔易于塌陷变形，并且不利于进一步与其他光学元件的耦合。
[0006] 在基于激光器的激射波长信号的移动或是劈裂效应的传感和探测领域中，单模出 射的激光器得到了广泛的关注。在光互联，光通讯、光神经网络等领域内，具有一定方向性 出射能力的微腔激光器的需求也日益增加。因此，同时具有单模激射和激光定向出射的燃 料微腔激光器，尤其是不需采用支柱支撑的聚合物染料微谐振腔激光器，将在有机集成光 电子器件领域内展现出极其重要的作用和成为极大的期待。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种实现单一波长出射的具有一定方向性选择的染料微谐 振腔聚合物单模激光器，在微谐振腔的结构上采用无支柱支撑、三维立体的几何非对称结 构来实现预期效果。
[0008] 本发明首先利用飞秒激光微纳加工系统对掺有染料罗丹明B等的SU-8光刻胶材 料进行加工形成聚合物微谐振腔激光器。在微谐振腔形状上，采用了无支柱的直接集成在 衬底上的结构，并且设计了双层堆叠的立体结构，具体为在圆环之上相内切一个尺寸稍小 的螺旋环的三维立体几何非对称结构，螺旋环的端口位置远离与圆环与螺旋环的内切点。 通过搭建的微谐振腔激光器激光方向性出射的测试平台系统，对制备出来的聚合物微谐振 腔激光器的激射光谱和激光发射的方向选择性进行测试。本发明所述方法制备出三维非对 称聚合物微谐振腔单模激光器，在室温下实现了单纵模波长的激光发射，并且其输出的激 射光在螺旋环的端口方向具有较好的方向选择性，这将有利于微光学元件的进一步耦合、 集成以及在光互连领域的应用。
[0009] 本发明所述的微谐振腔聚合物单模激光器，为在衬底上制备的双层微谐振腔堆叠 的立体结构，直接接触衬底的为下层圆环状微腔，堆叠在圆环状微腔上方的是螺旋环状微 腔，螺旋环状微腔具有单模激光器的发射端口；圆环状微腔的外半径凡、内半径馬是固定 不变的，圆环宽度为Ri-M累旋环状微腔的外半径ri是渐变的，内半径r2是固定不变的， rfrcyfl+scp/prr)}，r(1表示螺旋环状微腔起始位置处的外半径，^表示螺旋环状微腔终止 位置处的外半径，巾表示终止位置与起始位置对应的两条半径间所成的角度；e为形变因 子，变化范围为0.05~0.20,对于同一螺旋环状微腔，e为定值；随着q>的增大，螺旋环的 宽度从rQ-r2渐变为ri-ry当时，形成闭合结构，从而构成螺旋环状微腔，cp角处的 位置为发射端口的位置。
[0010] 为使光能够从圆环状微腔耦合进入螺旋环状微腔中，要求螺旋环状微腔某一位置 处的外圆环外侧内切于圆环状微腔某一位置处的外圆环内侧；切点位置的螺旋环外半径为 r，则圆环状微腔与螺旋环状微腔的圆心的距离d=Rm为使螺旋环状微腔的螺旋环全部 位于圆环状微腔的圆环上，要求R2〈r2,r2-R2>d，r。另外，微谐振腔的尺寸应当是在几 十微米的量级范围，即50ym多Rpr# 5ym，15ym多R「R2,rQ-r2^ 1ym。
[0011] 本发明所述微谐振腔聚合物单模激光器的制备，首先是将染料（作为增益介质， 如罗丹明B、罗丹明6G等）、光刻胶（作为制备微谐振腔的物质，如SU-8负光刻胶）加入到 有机溶剂（如环戊酮）中，配置成质量分数为20%~60%的混合溶液，其中，染料与光刻胶 的用量质量比为1 :50~100 ;充分混合后将混合好的溶液旋涂到衬底上，将衬底（具有高 反射率的衬底上，如商用560nm~800nm的内反射率达99%的532nm的窄带滤光片）放置 在温度为80~120摄氏度的环境中，静止1~3小时，用以充分的将用于稀释的有机溶剂 完全的挥发出去。然后，根据前面所述的微谐振腔聚合物单模激光器的三维立体非几何对 称结构，使用VisualBasic软件将其空间三维坐标位置记录下来并生成TXT文件，在飞秒 激光微纳加工系统（参考文献4)中依据TXT文件中的空间坐标对光刻胶和染料的混合材 料进行逐点曝光使之发生光化学反应，在显影之后可以在衬底上得到前面所述的无支柱支 撑的三维立体非几何对称结构的微谐振腔聚合物单模激光器。
【附图说明】
[0012] 图1 :本发明所设计的三维非对称的微谐振腔结构示意图；(a)俯视图、（b)立体 图、（c)前视图、（d)左视图；
[0013] 图2(a):单层的圆环微谐振腔结构的扫描电镜图；
[0014] 图2 (b):单层的螺旋环微谐振腔结构的扫描电镜图；
[0015] 图2(c):堆叠的圆环与螺旋环的三维非对称的微谐振腔结构扫描电镜图；
[0016] 图3 :对三维非对称聚合物微谐振腔激光器进行激光方向性出射表征的光泵浦测 试系统的示意图；
[0017] 图4(a):实施例制备的圆环与螺旋环耦合的微谐振腔激光器的激射光谱图；
[0018] 图4(b):实施例制备的圆环与螺旋环耦合的微谐振腔激光器的激光方向性出射 的示意图。
[0019] 如图1和图2所示，为在衬底上制备的双层微谐振腔堆叠的立体结构，直接接触衬 底的为下层圆环状微腔，堆叠在圆环状微腔上方的是螺旋环状微腔，螺旋环状微腔具有单 模激光器的发射端口；螺旋环状微腔某一位置处的外圆环外侧内切于圆环状微腔某一位置 处的外圆环内侧，螺旋环状微腔的螺旋环全部位于圆环状微腔的圆环上。
[0020] 如图3所示，各部件为：NG:YLF皮秒激光器泵浦光源1、凸透镜2、(XD摄像头3、半 反射半透射折镜4、会聚光斑显微成像物镜5、三维精密位移平台6、平面旋转平台7、步进电 机控制器8、二维精密位移平台9、凸透镜10、光纤光谱仪11、中性衰减片12。
[0021] NG:YLF皮秒激光器泵浦光源1发出的激光位于凸透镜2的焦点上，经过凸透镜2 变成平行光，以45度入射角照射到半反射半透射折镜4上，反射光经会聚光斑显微成像物 镜5以垂直于微谐振腔激光器表面的角度会聚到微谐振腔激光器上；反射光在经过半反射 半透镜折镜4,照入到CCD摄像头3,从而分辨微谐振腔激光器的具体位置。通过二维精密位 移平台9的粗调，使得被测试的微谐振腔激光器调节到测试平台系统的旋转中心位置；通 过三维精密位移平台6的微调，一方面使得微谐振腔激光器中圆环状微腔的圆心与泵浦光 的中心重合，另一方面使得被测试微谐振腔激光器可以在CCD摄像头3中清晰的成像。再 用步进电机控制器8控制平面旋转平台7的转动（每次最小可转动1度），从而改变微谐振 腔激光器发射端口在平面内的方向。中性衰减片12不断调节泵浦光的功率改变，激射光由 微谐振腔激光器发射端口出射，再经凸透镜10会聚之后传入到光纤光谱仪11进行记录分 析。
[0022] 其中，所使用的激光泵浦光源的波长为400nm~550nm的激光器，如波长400nm半 导体激光器、波长532nm半导体激光器、波长532nm的NG:YLF倍频后的皮秒激光器等。其 中泵浦光通过折镜（如半反射半透射镜等）后照射入显微物镜5 (10X、20X等），通过显微物 镜聚焦之后垂直照射在微谐振腔的表面，泵浦光斑尺寸80ym~150ym，中性衰减片用以 不断调节泵浦光的功率改变，通过旋转平面旋转平台