[发明专利]基于球冠镀膜球柄注光加热的可调谐微球激光器及方法

说明书

本发明提出基于球冠镀膜球柄注光加热的可调谐微球激光器及方法，激励光源的输出端经第一光纤与光功率分配器的输入端相连；光功率分配器的一个输出端经第二光纤与锥光纤耦合器相接，另一输出端经第三光纤与可变光衰减器相接；可变光衰减器可对第三光纤传输的光功率进行调整形成用于加热带柄微球的加热光，并把加热光经第五光纤输出至微球的球柄处；第二光纤传输的激励光通过双锥光纤耦合入微球赤道区域，形成回廊模来泵浦该稀土离子掺杂微球产生窄线宽单模或多模激光；经球柄传入微球的加热光使微球因升温而改变折射率及谐振波长，对微球产生激光的波长进行调谐，调谐后的微球回廊激光经第四光纤输出；本发明获得可调谐波长的微球回廊模激光输出。

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是基于球冠镀膜球柄注光加热的可调谐微球激光器及方法。

背景技术

在器件小型化要求下以及微纳光学的快速发展下，具有小尺寸、低阈值的回廊模(WGM)微腔激光器成为一个热门的研究领域。可调谐激光器在生化传感检测、微波光子学、高分辨率成像等诸多领域有很好的应用前景，因此，对于WGM微腔而言，其可调谐性具有较大的研究意义。目前常用的调谐方式有电热调谐、拉伸调谐、压力调谐以及光热调谐等。2004 年，K.J.Vahala等人利用电热效应在超高Q微环芯腔上实现了300 GHz的有效调谐。2010年，M. Sumetsky通过拉伸微泡腔以改变微泡腔尺寸的方式实现了5.5nm的调谐范围。2013 年，A. Rodríguez-Cobos 等人通过调整锥形微柱腔与微纳光纤的耦合位置实现波长调谐，调谐范围为1.16 nm。2017 年，Xiang Wu等人利用中空微泡腔注入不同折射率液体后有效折射率改变的特性，实现了激射光波长的改变。2017 年，朱松等人利用四氧化三铁纳米颗粒的光热效应，在微瓶腔中实现了高效率光热调谐，调谐范围可达85 GHz。

目前有关于可调微腔激光的研究大多使用单频激光器为光源，而WGM微腔仅是一个光源外部的滤波元件来实现激光的选模与调谐。这对光源有较高的稳定性要求且较难调谐。

发明内容

本发明提出基于球冠镀膜球柄注光加热的可调谐微球激光器及方法，便于获得可调谐波长的激光输出。

本发明采用以下技术方案。

基于球冠镀膜球柄注光加热的可调谐微球激光器，所述激光器激励光源的输出端经第一光纤与一分二光功率分配器的输入端相连；所述光功率分配器的其中一个输出端经第二光纤与锥光纤耦合器相接，另一输出端经第三光纤与可变光衰减器相接；所述可变光衰减器可对第三光纤传输的光功率进行调整，形成用于加热带柄微球的加热光，并把加热光经第五光纤输出至带柄微球的球柄处；第二光纤传输的激励光通过双锥光纤耦合入带柄微球的微球赤道区域，形成回廊模来泵浦该稀土离子掺杂微球产生窄线宽单模或多模激光；经球柄传入微球的加热光在微球的球冠膜层会聚，被膜层吸收使微球因升温而改变折射率及谐振波长，对微球产生激光的波长进行调谐，因光-热-光效应调谐后的微球回廊激光经第四光纤输出。

所述带柄微球的球部为球冠镀膜的稀土离子掺杂微球，球柄用于对微球进行移动操作、固定以及加热光传输。

所述激励光源为微球激光器的泵浦源，以及用于加热带柄微球球部的光源；所述第二光纤的末端以低损耗连接方式与双锥光纤始端相连以传输泵浦光；所述双锥光纤与微球赤道面相切耦合，将泵浦光耦合入微球形成回廊模，以激励微球产生的激光。

所述球冠镀膜稀土离子掺杂微球的球部本体为采用溶胶--凝胶法在SiO₂微球外包覆一层掺有稀土离子的SiO₂膜层的微球，用于产生窄线宽单模或多模激光；所述球部本体的球冠镀膜为金属膜或介质膜，用于吸收从球柄导入通过微球会聚于球冠的光，并吸收光转换为热，球冠处的热传递到整个微球而使其折射率改变，进而使微球的谐振波长改变，以调谐输出激光波长。

所述带柄微球的球柄经尾纤与第五光纤相连；第四光纤的始端与微球处的双锥光纤相连，末端为可调谐激光的输出口。