CN103746286A

CN103746286A - 一种基于光流体的可调控染料激光器

Info

Publication number: CN103746286A
Application number: CN201410010477.8A
Authority: CN
Inventors: 高秀敏; 姜利平
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-01-07
Filing date: 2014-01-07
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明公开了一种基于光流体的可调控染料激光器，包括泵浦光源、工作介质和谐振腔，所述泵浦光源出射光束的光轴方向依次设有圆锥面外反射镜和所述的谐振腔；所述的谐振腔为透明柱体，并在所述谐振腔的腔体内沿所述光轴方向依次设有第一光学反射镜、作为所述工作介质的染料分子悬浮液区域、第一液体透镜、第二液体透镜、气体空腔和第二光学反射镜；用于调控所述第一液体透镜和所述第二液体透镜的第一电极和第二电极；以所述光轴为中心对称轴还设有第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜。本发明的一种基于光流体的可调控染料激光器具有输出激光模式可控、光束质量好、灵活性强等优点。

Description

一种基于光流体的可调控染料激光器

技术领域

本发明涉及光学技术领域领域，具体涉及一种基于光流体的可调控染料激光器，主要用于激光测量、激光加工、激光制导、激光医学、光谱技术、光纤通讯、无线光通信、光学微操纵、光学显微、光与物质相互作用等领域中作为激光光源。

背景技术

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。各种激光器的工作原理基本相同，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，所以装置中必不可少的组成部分有激励源、具有亚稳态能级的工作介质两个部分。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。激光器中常见的组成部分还有谐振腔，它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，所以一般激光器都具有谐振腔。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、液体激光器、半导体激光器。

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相结合，形成了新兴学科光流控(Optofluidics)。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 tunableelastomeric optofluidic distributed feedback dye laser,专利号：US7,817,698,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)***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***，进而形成光学谐振腔，且均为微观结构，这样从本质上使得***对制备工艺要求很高，制备激光器的工序复杂，难度大，整个***复杂；2)***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)在先技术中的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，影响泵浦效应的均匀性，整个受激辐射***具有了非对称性，影响激光器输出光束质量，同时，泵浦光能利用率低。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种基于光流体的可调控染料激光器，具有***构成简洁、制备工艺简单、谐振腔性能可调节、输出光束模式可控、光束质量好、轴对称式光泵浦、泵浦光能利用率高、适用范围广，使用灵活等特点。

一种基于光流体的可调控染料激光器，包括泵浦光源、工作介质和谐振腔，所述泵浦光源出射光束的光轴方向依次设有圆锥面外反射镜和所述的谐振腔；所述的谐振腔为透明柱体，并在所述谐振腔的腔体内沿所述光轴方向依次设有第一光学反射镜、作为所述工作介质的染料分子悬浮液区域、第一液体透镜、第二液体透镜、气体空腔和反射率小于所述第一光学反射镜的第二光学反射镜；在所述谐振腔的外表面所述第一液体透镜和所述第二液体透镜对应的位置分别设有用于调控所述第一液体透镜和所述第二液体透镜的第一电极和第二电极；以所述光轴为中心对称轴还设有第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜；其中所述第二圆锥面内反射镜与所述的染料分子悬浮液区域在所述光轴上的对应位置相同，并且所述第二圆锥面内反射镜具有将光束垂直于所述光轴反射至所述染料分子悬浮液区域的反射面。

上述技术方案中，基本构思为：将光流控和液体透镜相结合形成可调控光学谐振腔，同时利用光束整形实现轴对称光泵浦。具体方案如下：一种基于光流体的可调控染料激光器，采用光激励方式(泵浦光源照射工作介质)激发产生激光。在泵浦光源的光束出射方向上依次设置有第一圆锥面内反射镜、圆锥面外反射镜以及第二圆锥面内反射镜，其中第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜均以泵浦光源出射光束的光轴为中心对称轴设置，并且均为中空环状。而圆锥面外反射镜设置在泵浦光源出射光束的光轴上，所以，依顺序泵浦光源的出射光束首先入射到圆锥面外反射镜的圆锥形反射面上，光束经圆锥面外反射镜的圆锥形反射面反射后，光束行进方向偏离光轴，并入射至第一圆锥面内反射镜的反射面。光束再经第一圆锥面内反射镜的反射面反射后入射至第二圆锥面内反射镜的反射面。因谐振腔设置设置在光轴上，且谐振腔内的染料分子悬浮液区域(工作介质)与第二圆锥面内反射镜在光轴的对应位置相同，同时第二圆锥面内反射镜的反射面又能保证将入射光束以垂直光轴的角度反射，所以当光束经第二锥面内反射镜的反射面反射后将以垂直光轴的角度入射到谐振腔内的染料分子悬浮液区域，从而提高泵浦光能利用率和激光光束质量。其中，圆锥面外反射镜、第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜的设置是为了泵浦光源出射光束经上述部件后得到垂直于光轴的汇聚激励光源。

柱形谐振腔设置在光轴上，其内部沿光轴方向依次设有第一反射透镜、染料分子悬浮液区域、第一液体透镜、第二液体透镜、气体空腔以及第二反射透镜，第一液体透镜和第二液体透镜基于电湿效应原理，分别由设置在谐振腔表面的第一电极和第二电极的透镜控制，通过调节电极的外加电压，来改变液体透镜的屈光度，进而实现光束模式调控，完成高光束质量所需模式激光输出。气体空腔的设置是为第一液体透镜、第二液体透镜改变时提供足够的空间。

所述的圆锥面外反射镜、第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜的光束入射面与所述光轴的夹角均为45°。圆锥面外反射镜、第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜的光束入射面与所述光轴的夹角均为45°时，泵浦光源出射光束在整个行进过程均能保持与泵浦光源光束出射方向平行或垂直。

所述的谐振腔为圆柱形。圆柱形谐振腔与经第二圆锥面反射镜反射后形成的环状汇聚光束相匹配，使染料分子悬浮液区域(工作介质)受光更均匀，同时圆柱形谐振腔便于加工。

所述的第一电极和第二电极为导电薄膜电极、金属电极的一种。

所述的第一光学反射镜和第二光学反射镜朝向所述染料分子悬浮液区域镀的一侧镀有多层介质膜。在第一光学反射镜和第二光学反射镜的内侧表面设置多层介质膜可以增加激光在光学反射镜上的反射率、减少光损失。

与现有技术相比，本发明的优点：

1)在先技术中***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***，进而形成光学谐振腔，对制备工艺要求很高，制备激光器的工序复杂，难度大，整个***复杂；本发明提出的激光器是利用光流控和液体透镜相结合，谐振腔为圆柱腔体，两个圆形端面为高反射面形成光学反馈谐振腔，***构成简洁、制备工艺简单；

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；本发明基于光流体的可调控染料激光器，其中谐振腔内依次设置有染料分子悬浮液区域、两个液体透镜和一个气体空腔区域，谐振腔测量设置有两个电极用于调控腔内两液体透镜，从而实现光学谐振条件和激光出射模式的调节控制；

3)在先技术中泵浦光束侧面照射到光增益区域，影响泵浦效应的均匀性，整个受激辐射***具有了非对称性，影响激光器输出光束质量，同时，泵浦光能利用率低；本发明中入射泵浦光束依次经过圆锥面外反射镜、两个锥面内反射镜形成垂直于***对称轴的汇聚泵浦，轴对称式光泵浦，泵浦光能利用率高，本发明输出光束模式可控、光束质量好，拓展了适用范围，提高了使用灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

图1为本发明实施例的结构示意图。一种基于光流体的可调控染料激光器，在泵浦光源1的光束出射方向上依次设置有第一圆锥面内反射镜3、圆锥面外反射镜2以及第二圆锥面内反射镜4，且第一圆锥面内反射镜3、圆锥面外反射镜2以及第二圆锥面内反射镜4的反射面与泵浦光源1出射光束的光轴夹角均为45°。泵浦光源1的出射光束光轴上设有圆锥面外反射镜2和圆柱形石英材质谐振腔5，谐振腔5沿泵浦光源1光束出射方向依次设有第一反射透镜501、染料分子悬浮液区域6、第一液体透镜7、第二液体透镜8、气体空腔9以及第二反射透镜504，谐振腔5的外表面上第一液体透镜7和第二液体透镜8的对应位置分别设有第一电极502和第二电极503。其中，第二圆锥面内反射镜4与染料分子悬浮液区域6在泵浦光源1出射光束光轴上的对应位置相同。

在本实施例中，圆锥面外反射镜2的底部圆面直径为10毫米；第一圆锥面内反射镜3和第二圆锥面内反射镜4结构相同，厚度均为5毫米，圆锥面内径直径为35毫米，圆锥面外径直径为40毫米，第一圆锥面内反射镜3和第二圆锥面内反射镜4的外径为51.8毫米。圆柱形谐振腔5壳体厚度为1毫米，第一光学反射镜501和第二光学反射镜504是镀有多层介质膜的高反射膜，第一光学反射镜501的反射率为98％，第二光学反射镜504的反射率为94％；染料分子悬浮液区域6为罗丹明6G分子分散到蒸馏水中，第一液体透镜7为透明油体透镜、第二液体透镜8为水溶性液体透镜，第一电极502和第二电极503均为ITO膜导电电极。泵浦光束采用倍频YAG激光器出射的波长为532纳米的光束，光束直径为4毫米。

本发明装置的工作过程为：YAG激光器出射光束沿光轴传播，经过圆锥面外反射镜2的反射形成放射状传播圆盘形光束，背离光轴传播；再一次经过第一圆锥面内反射镜3和第二圆锥面内反射镜4的反射，形成向光轴汇聚的圆盘形光束，光束的汇聚区域为圆柱形谐振腔5的染料分子悬浮液区域6，染料分子悬浮液区域6中的罗丹明6G分子收到激发而发射荧光，荧光在圆柱形谐振腔5的腔体内从第一光学反射镜501到第二光学反射镜504之间进行多次反射，多次经过染料分子悬浮液区域6进行多次受激辐射，当泵浦光源1光功率大于***损耗阈值时，***增益大于损耗，***有激光出射；本激光器装置中，在圆柱形谐振腔5外侧第一电极502和第二电极503之间加上电压，进行调节第一液体透镜7和第二液体透镜8，进而改变了谐振腔5的光学参数及其分布，从而实现了调控出射激光束的模式，得到高光束质量的所需模式。本实施例成功实现了570纳米的高质量基模输出，本发明具有***构成简洁、制备工艺简单、谐振腔性能可调节、输出光束模式可控、光束质量好、轴对称光泵浦、泵浦光能利用率高等特点。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于光流体的可调控染料激光器，包括泵浦光源、工作介质和谐振腔，其特征在于，所述泵浦光源出射光束的光轴方向依次设有圆锥面外反射镜和所述的谐振腔；所述的谐振腔为透明柱体，并在所述谐振腔的腔体内沿所述光轴方向依次设有第一光学反射镜、作为所述工作介质的染料分子悬浮液区域、第一液体透镜、第二液体透镜、气体空腔和反射率小于所述第一光学反射镜的第二光学反射镜；在所述谐振腔的外表面所述第一液体透镜和所述第二液体透镜对应的位置分别设有用于调控所述第一液体透镜和所述第二液体透镜的第一电极和第二电极；以所述光轴为中心对称轴还设有第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜；其中所述第二圆锥面内反射镜与所述的染料分子悬浮液区域在所述光轴上的对应位置相同，并且所述第二圆锥面内反射镜具有将光束垂直于所述光轴反射至所述染料分子悬浮液区域的反射面。

2.根据权利要求1所述的一种基于光流体的可调控染料激光器，其特征在于，所述的圆锥面外反射镜、第一圆锥面内反射镜和第二圆锥面内反射镜的光束入射面与所述光轴的夹角均为45°。

3.根据权利要求1所述的一种基于光流体的可调控染料激光器，其特征在于，所述的谐振腔为圆柱形。

4.根据权利要求1所述的一种基于光流体的可调控染料激光器，其特征在于，所述的第一电极和第二电极为导电薄膜电极、金属电极的一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于光流体的可调控染料激光器，其特征在于，所述的第一光学反射镜和第二光学反射镜朝向所述染料分子悬浮液区域镀的一侧均镀有多层介质膜的反射膜。