CN108321670A - 一种级联泵浦的微腔激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种级联泵浦的微腔激光器。本发明包括泵浦光源，两端带有尾纤的光纤锥结构，复合增益介质微腔；本发明在微腔中分布N种不同的增益介质，使得第N‑1种增益介质产生的激光是第N种增益介质的泵浦源，最终能够输出实现低噪声、窄线宽和毫瓦量级的输出激光功率。本发明采用级联泵浦的方案，能有效降低微腔内的热噪声，实现性能改良。现有的小尺寸、高集成的微型激光器受限于腔内热负荷严重，工作性能较常规激光器有很大差距。本发明的这种结构的微腔激光器尺寸小，易于集成化，性能出色，对未来集成光学的发展有重要意义。
Description
技术领域
本发明涉及到激光技术领域，尤其是一种级联泵浦的微腔激光器。
背景技术
激光具有高方向性，高单色性，高能量密度等优点，被广泛应用于信息领域、工业领域、生物医学领域、国防科技领域和科学技术前沿中。目前，常规尺寸的激光器已经发展的比较成熟，能够有效实现低噪声、窄线宽和高输出功率的优点。随着器件的微型化的迅速发展，小尺寸、高集成的微型激光器已经成为新的研究热点。如何在缩小尺寸的情况下仍然获得高质量的输出激光光束成为一个新的挑战。
利用回音壁模式微腔产生激光是实现微型激光器的有效途径之一。常见的回音壁模式微腔包括微球型、微柱型、微盘型和微环型，其直径通常从几微米到百微米不等。由于全内反射原理，回音壁模式微腔能将光束囚禁在腔内循环振荡。在微腔中添加增益介质，并注入对应的泵浦能量，就可以实现特定的激光输出。得益于制备技术的提高，微腔的外表面能够实现纳米量级的光洁度，使得光在腔内传播的散射损耗非常小，进而使得微腔的品质因子(Q值)通常高达105～1010。由于超高的Q值，腔内传播损耗小，微腔内只需要非常少量的增益介质，就能实现激光输出。与之对应，微型激光器的阈值也非常低，通常为微瓦量级。然而，微型激光器的其他参数，例如噪声、线宽和输出功率，目前还不够理想，存在很大的优化空间。例如，Z.Zhang等人报道的微纳光纤激光器(Z.Zhang et al.Appl.Phys.Express 6(4)(2013):042702.)，其线宽2kHz，噪声-110dB/Hz，输出功率为432nW。
微腔激光器性能不佳的一个主要原因，是泵浦效率过低。常规尺寸的激光器的泵浦转换效率能够逼近理论极限，通常为10～50％。而微腔激光器的泵浦转换效率通常低于1％。其主要原因是，微腔谐振峰的半高全宽通常小于1MHz，而用于泵浦的半导体激光器的线宽超过10MHz。因此，超过90％的泵浦能量无法在微腔内实现谐振，反而是对腔体进行加热，引入了额外的热噪声。此外，微腔中光束循环次数多，腔内累积的光能量密度可以是腔外的数十倍，也导致腔体热负荷严重。热噪声会进一步导致微腔激光输出光束的其他性能劣化。例如，理论上超短腔所应该具备的超窄线宽难以实现，最终输出的激光功率也非常低。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种级联泵浦的微腔激光器。级联泵浦指利用外界泵浦微腔产生第一种激光，再将产生的激光作为泵浦源泵浦第二种增益材料，产生第二种激光。由于级联泵浦的中间泵浦源为该微腔的谐振模式，与最终输出激光模式重叠率更高，能量转换效率更高。因此，采用级联泵浦，能够有效降低微腔的热负荷，最终实现低噪声、窄线宽和毫瓦量级的输出激光功率。
为实现以上目的，本发明的技术方案为。
一种级联泵浦的微腔激光器，包括泵浦光源，带有两端尾纤的光纤锥结构，复合增益介质微腔。复合增益介质微腔中包含N种增益材料，N的取值为2～10。泵浦光耦合进光纤后，经由光纤锥结构耦合进微纳光纤，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微腔中。微腔中的第一种增益材料在泵浦光作用下，产生第一种激光信号。产生的第一种激光作为新的泵浦源，被第二种增益材料吸收，并产生第二种激光信号。以此类推，第N-1种激光信号将作为第N种增益材料的泵浦源，最终产生第N种激光信号。产生的N种激光信号通过倏逝波作用耦合回微纳光纤中，并最终在光纤末端输出。
本发明的复合增益介质微腔，形状可以为微球型、微柱型、微盘型和微环型，其直径范围为1-5000μm(对于微环形指外环直径)。
本发明的复合增益介质微腔中分布有N种增益材料，N的取值是1～10。N种增益材料的分布方式如下：将微腔的谐振横截面被分为M1个扇形区域，所有扇形拥有共同的顶点，并且该顶点位于微腔的谐振横截面内部。M1的取值为1～11。第s个扇形的角度为θs，s的取值为1～M1，θs的取值为0～2π，并且每个扇形从顶点到外侧被分为M2层，M2的取值为1～11。第p层的厚度为Hp，p的取值为1～Mp，Hp的取值为0.001～5000μm。即整个微腔的谐振横截面被分为M1×M2个小区域。每个小区域均由单一增益材料或者微腔基底材料构成，相邻区域的材料可以是相同或者不同。
本发明的复合增益介质微腔，基底材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，石英，磷酸盐，锗酸盐，锑酸盐，碲酸盐，氟化物以及硫化物玻璃中的一种或多种。增益材料是掺杂一种或多种稀土离子，包括钕(Nd3+)，镱(Yb3+)，铒(Er3+)，钬(Ho3+)，铥(Tm3+)，镝(Dy3+)以及铋(Bi3+、Bi5+)，的基底材料。每种稀土离子的掺杂浓度范围均为0～20mol％。掺杂方式包括共熔在基底材料中和涂覆在基底材料表面两种方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、这种级联泵浦的微腔激光器，能够有效降低微腔的热负荷，最终实现低噪声、窄线宽和毫瓦量级的输出激光功率。
2、这种级联泵浦的微腔激光器，其体积小，能耗低，输出激光质量高，能够集成在其他的微光电子回路和芯片式***中。
附图说明
图1为实例1中一种级联泵浦的微腔激光器的结构示意图；
图2为实例1中复合增益介质微腔的谐振横截面分布图；
图3为实例2中复合增益介质微腔的谐振横截面分布图；
图4为实例3中复合增益介质微腔的谐振横截面分布图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
如图1所示，采用带有尾纤输出的808nm的半导体激光器作为泵浦源1，并将尾纤与光纤锥结构2直接熔接。该光纤锥结构2制备方式如下：
a)取一段长20cm的康宁光纤(SM28e)，在中间剥去该光纤的涂覆层(3cm)；
b)利用氢氧焰加热裸纤区域，两端平稳拉伸至5cm，形成带有两段尾纤的微纳光纤；
c)将带有两段尾纤的微纳光纤固定在一对三维位移台上。
制备的光纤锥结构2，中间为均匀微纳光纤结构，直径为1μm，长度为5mm。如图1所示，将复合增益介质微腔3即复合增益介质微球的谐振横截面与微纳光纤相切放置。复合增益材料微球的制备方式如下：
a)按照P2O5:Al2O3:Na2O:BaO:Nd2O3:Sb2O3:Y2O3＝65:15:10:6:0.1:0.5:0.5摩尔比例烧制掺钕(Nd3+)磷酸盐块状玻璃；并将其加工成直径1mm，长度10cm的掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃圆柱棒状结构；
b)利用CO2激光器加热掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃圆柱棒状结构，使其拉细成直径1μm的微纳光纤结构；在微纳光纤最细的部分剪断，再采用CO2激光器加热微纳光纤末端，使其通过表面张力作用自然卷曲成球。制备的掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃微球直径为100μm。
c)按照P2O5:Al2O3:Na2O:BaO:La2O3:Er2O3＝60:5:14:15.6:5:0.4的摩尔比例烧制掺铒(Er3+)磷酸盐块状玻璃；按照步骤a)和步骤b)方案制备掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃微球，直径为100μm。
d)将制备的掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃微球的一半以及掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃微球的一半浸没在氢氟酸溶液中。通过氢氟酸溶液的腐蚀作用，得到掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃半球结构和掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃半球结构。
e)将制备的掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃半球结构和掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃半球结构拼凑在一起，并采用CO2激光器沿两个半球贴合的经线上进行局部加热，使得两个半球重新熔合成一个整体的微球。
制备的复合增益介质微球直径为100μm，其左半球为掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃材料，右半球为掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃材料，如图2所示。
下面介绍该级联泵浦微球激光器的工作方式：
打开808nm半导体激光器，在25℃附近微调半导体激光器的工作温度，使其输出的波长在808nm附近漂移，并最终匹配上微球的谐振峰。808nm的泵浦顺着光纤进入微纳光纤中，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微球中进行循环谐振。
复合增益介质微球的左半球掺钕(Nd3+)磷酸盐玻璃材料吸收808nm的泵浦光后，钕(Nd3+)离子会通过4F3/2→4F11/2跃迁过程发射出1053nm的激光信号。值得注意的是，产生的1053nm的激光的模式完全是该复合增益介质微球的回音壁谐振模式。该激光信号被右半球掺铒(Er3+)磷酸盐玻璃材料吸收。铒(Er3+)离子通过4F13/2→4F15/2跃迁过程发射出1535nm的激光信号。1535nm的激光信号通过倏逝波作用，耦合回微纳光纤中，经由光纤锥结构最终在康宁光纤(SM28e)末端输出。
相比于外界半导体激光泵浦信号，级联泵浦的1053nm激光信号为复合增益介质微球的回音壁谐振模式，其与最终输出的1535nm的激光信号的模式重叠率更高。因此，该过程的能量转换效率更高，从而避免了产生不必要的1550nm波段的自发辐射荧光信号和热辐射信号，降低了腔内的热负荷。因此，最终输出的1535nm的激光信号，线宽能达到百赫兹量级，相对强度噪声能低于-130dB/Hz，输出功率能达到毫瓦量级。
实施例2：
如图1所示，采用带有尾纤输出的980nm的半导体激光器作为泵浦源1，并将尾纤与光纤锥结构2直接熔接。光纤锥结构2的制备方案和指标与实例1中一致。将复合增益介质微腔3即复合增益介质微球的谐振横截面与微纳光纤相切放置。
复合增益介质微球的制备方式如下：
a)按照GeO2:AlF3:Li2O:BaF2:La2O3:Tm2O3＝60:10:8:10:5:0.8摩尔比例烧制掺铥(Tm3+)锗酸盐块状玻璃；并将其加工成直径1mm，长度10cm的圆柱棒状结构；
b)利用CO2激光器加热掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃棒状结构，使其拉细成直径1μm的微纳光纤结构；在微纳光纤最细处剪断微纳光纤，再采用CO2激光器加热微纳光纤末端，使其通过表面张力作用自然卷曲成球。制备的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球直径为150μm。
c)采用溶胶-凝胶法制备镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜。按照TEOS:H2O:HCl＝1:1:0.005(摩尔比例)配置前驱体溶液；然后按照Yb2O3:Er2O3:C6H8O7＝3:5:15(摩尔比例)比例进行掺杂，并使得最终的镱(Yb3+)/铒(Er3+)的掺杂浓度为6000/10000ppm，搅拌均匀后形成溶胶前驱体溶液。将制备好的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球浸没到溶胶前驱体溶液中，并迅速提拉出来，使得掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球表面覆盖一层溶胶前驱体溶液。将微球整体在85℃下加热2小时。
制备的复合增益介质微球直径为150.2μm，内部为掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球，外侧覆盖一层镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜，厚度为100nm，如图3所示。
下面介绍该级联泵浦微球激光器的工作方式：
打开980nm半导体激光器，在25℃附近微调半导体激光器的工作温度，使其输出的波长在980nm附近漂移，并最终匹配上微球的谐振峰。980nm的泵浦顺着光纤进入微纳光纤中，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微球中进行循环谐振。
复合增益介质微球外侧的镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜吸收980nm的泵浦光后，铒(Er3+)离子通过4F13/2→4F15/2跃迁过程发射出1535nm的激光信号。该激光信号被内部的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃材料吸收，铥(Tm3+)离子通过3F4→3H6跃迁过程发射出1850nm的激光信号。1850nm的激光信号通过倏逝波作用，耦合回微纳光纤中，经由光纤锥结构最终在康宁光纤(SM28e)末端输出。最终输出激光线宽能达到百赫兹量级，相对强度噪声能低于-130dB/Hz，输出功率能达到毫瓦量级。
实施例3：
如图1所示，采用带有尾纤输出的980nm的半导体激光器作为泵浦源1，并将尾纤与光纤锥结构2直接熔接。光纤锥结构2的制备方案和指标与例1中一致。将复合增益介质微腔3即复合增益介质微球的横截面与微纳光纤相切放置。
复合增益介质微球的制备方式如下：
a)按照GeO2:AlF3:Li2O:BaF2:La2O3:Tm2O3＝60:10:8:10:5:0.8摩尔比例烧制掺铥(Tm3+)锗酸盐块状玻璃；并将其加工成直径1mm，长度10cm的圆柱棒状结构；
b)利用CO2激光器加热掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃棒状结构，使其拉细成直径1μm的微纳光纤结构；在微纳光纤最细处剪断微纳光纤，再采用CO2激光器加热微纳光纤末端，使其通过表面张力作用自然卷曲成球。制备的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球直径为70μm。
c)按照GeO2:Ga2O3:Li2O:BaO:La2O3:Ho2O3＝60:10:8:7:6:0.3的摩尔比例烧制掺钬(Ho3+)锗酸盐块状玻璃；按照步骤a)和步骤b)方案制备掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃微球，直径为70μm。
d)将制备的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃微球的一半以及掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃微球的一半浸没在氢氟酸溶液中。通过氢氟酸溶液的腐蚀作用，得到掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃半球结构和掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃半球结构。
e)将制备的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃半球结构和掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃半球结构拼凑在一起，并采用CO2激光器沿两个半球贴合的经线上进行局部加热，使得两个半球重新熔合成一个整体的微球。
f)采用溶胶-凝胶法制备镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜。按照TEOS:H2O:HCl＝1:1:0.005(摩尔比例)配置前驱体溶液；然后按照Yb2O3:Er2O3:C6H8O7＝3:5:15(摩尔比例)比例进行掺杂，并使得最终的镱(Yb3+)/铒(Er3+)的掺杂浓度为6000/10000ppm，搅拌均匀后形成溶胶前驱体溶液。将制备好的锗酸盐玻璃微球浸没到溶胶前驱体溶液中，并迅速提拉出来，使得锗酸盐玻璃微球表面覆盖一层溶胶前驱体溶液。将微球整体在85℃下加热2小时。
制备的复合增益介质微球直径为70.1μm，内部为锗酸盐玻璃微球，其左半球为掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃材料，右半球为掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃材料，外侧覆盖一层镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜，厚度为50nm，如图4所示。
下面介绍该级联泵浦微球激光器的工作方式：
打开980nm半导体激光器，在25℃附近微调半导体激光器的工作温度，使其输出的波长在980nm附近漂移，并最终匹配上微球的谐振峰。980nm的泵浦顺着光纤进入微纳光纤中，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微球中进行循环谐振。
复合增益介质微球外侧的镱(Yb3+)/铒(Er3+)共掺薄膜吸收980nm的泵浦光后，铒(Er3+)离子通过4F13/2→4F15/2跃迁过程发射出1535nm的激光信号。该激光信号被内部左半球的掺铥(Tm3+)锗酸盐玻璃材料吸收，铥(Tm3+)离子通过3F4→3H6跃迁过程发射出1850nm的激光信号。1850nm的激光信号进一步右半球的掺钬(Ho3+)锗酸盐玻璃材料吸收，钬(Ho3+)离子通过5I7→5I8跃迁过程发射出1950nm的激光信号。1950nm的激光信号通过倏逝波作用，耦合回微纳光纤中，经由光纤锥结构最终在康宁光纤(SM28e)末端输出。最终输出激光线宽能达到百赫兹量级，相对强度噪声能低于-130dB/Hz，输出功率能达到毫瓦量级。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种级联泵浦的微腔激光器，其特征在于包括泵浦光源(1)，两端带有尾纤的光纤锥结构(2)，复合增益介质微腔(3)；复合增益介质微腔(3)中包含N种增益材料，N的取值为2～10；泵浦光耦合进光纤后，经由光纤锥结构(2)耦合进光纤锥结构的微纳光纤，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微腔(3)中；复合增益介质微腔(3)中的第一种增益材料在泵浦光作用下，产生第一种激光信号，产生的所述第一种激光作为新的泵浦源，被第二种增益材料吸收，并产生第二种激光信号，依此规律，第N-1种激光信号将作为第N种增益材料的泵浦源，最终产生第N种激光信号；产生的N种激光信号通过倏逝波作用耦合回微纳光纤中，并最终在光纤末端输出。
2.如权利要求1所述的一种级联泵浦的微腔激光器，其特征在于复合增益介质微腔的的形状为微球型、微柱型、微盘型或微环型，其直径为1-5000μm，当形状为微环形是，所述直径指外环的直径。
3.如权利要求1所述的一种级联泵浦的微腔激光器，其特征在于，复合增益材料微腔中分布有N种增益材料，N种增益材料的分布方式如下：将复合增益材料微腔的谐振横截面被分为M1个扇形区域，所有扇形拥有共同的顶点，并且该顶点位于微腔的谐振横截面内部，M1的取值为1～11，第s个扇形的角度为θs，s的取值为1～M1，θs的取值为0～2π，并且每个扇形从顶点到外侧被分为M2层，M2的取值为1～11，第p层的厚度为Hp，p的取值为1～Mp，Hp的取值为0.001～5000μm，即整个微腔的谐振横截面被分为M1×M2个小区域，每个小区域均由单一增益材料或者微腔基底材料构成，相邻区域的材料是相同或者不同。
4.如权利要求3所述的一种级联泵浦的微腔激光器，其特征在于所述基底材料是聚甲基丙烯酸盐，锗酸盐，锑酸盐，碲酸盐，氟化物以及硫化物玻璃中的一种或多种。
5.如权利要求3所述的一种级联泵浦的微腔激光器，其特征在于所述增益材料是掺杂有一种或多种稀土离子的基底材料；所述稀土离子包括钕(Nd3+)，镱(Yb3+)，铒(Er3+)，钬(Ho3+)，铥(Tm3+)，镝(Dy3+)或铋(Bi3+、Bi5+)，每种稀土离子的掺杂浓度为0～20mol％；掺杂方式包括共熔在基底材料中和涂覆在基底材料表面两种方式中的一种以上。
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