專利名稱：一種基于pdms的多波段回音壁模式光纖激光器及其加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光及微流控光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，涉及ー種利用光抽運(yùn)方式，通過(guò)抽運(yùn)光的倏逝場(chǎng)激勵(lì)増益，在一塊芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光定向輸出的光纖激光器及其加工方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)器件的微型化、集成化以及光學(xué)參數(shù)的可調(diào)化是現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。傳統(tǒng)光學(xué)器件具有體積大、成本高、可調(diào)性和穩(wěn)定性差等缺陷，這直接阻礙了現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的微型化與集成化進(jìn)程。為了降低成本，減少人力投入，提高實(shí)驗(yàn)精度和可重復(fù)性，現(xiàn)代光學(xué)研究常常需要將多種實(shí)驗(yàn)功能集成在ー塊獨(dú)立的芯片上，即“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”(lab on a chip)。微流控光學(xué)(Optofluidics)是現(xiàn)代光學(xué)、光電子學(xué)和微流控技術(shù) 相結(jié)合而形成的新型交叉前沿學(xué)科和技術(shù)，可在微米尺度上通過(guò)操控流體達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)的光學(xué)或光電子學(xué)特性的目的。微流控光學(xué)系統(tǒng)具有快速、高效、樣品取樣少等優(yōu)點(diǎn)，在生物技術(shù)、化學(xué)分析、環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。然而，微流控光學(xué)系統(tǒng)的兩個(gè)最主要的組成部分，即光源和傳感器卻難于集成到芯片中，從而限制了微流控光學(xué)系統(tǒng)的功能集成度和便攜性。為了實(shí)現(xiàn)光源和微流控芯片的集成，多個(gè)研究組提出和展示了不同結(jié)構(gòu)和材料的微流控芯片激光器(比如B. Helbo,A. Kristensen and A. Menon. A micro-cavity fluidicdye laser [J] ,J. Micromech. Microeng(03) 307-311;還有 D. V. Vezonov,B. T. Mayers, Conroy R S et al· . A low-threshold, high-effciency microfluidicwaveguide laser [J]，プ AM. CHEM. S0C. 2005，127(25):8952-8953;以及 J. C. Galas,J. Torres, M. Belotti et ah . Microfluidic tunable dye laser with integratedmixer and ring resonator [J], App. Phy. Lett. 2005,86 (26): 264101-1-264101-3等)，但這類(lèi)激光器存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者抽運(yùn)閾值能量較高等缺點(diǎn)。本發(fā)明人已經(jīng)對(duì)倏逝波(Evanescent Wave)激勵(lì)的回音壁模式光纖激光器的現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究和分析(江楠，杜飛，白然等，影響柱形微腔回音壁模激光抽運(yùn)閾值能量的因素[J]，中國(guó)激光，2008，35 (5) :660 663 ;張遠(yuǎn)憲，韓德昱，祝昆等，包層介質(zhì)引起的回音壁模式光纖激光波長(zhǎng)漂移[J]，中國(guó)激光，2010，36(3):691 694 ;普小云、自然、向文麗等，消逝波激勵(lì)的雙波段光纖回音壁模式激光輻射[J]，物理學(xué)報(bào)，2009，58 (6) =3923-3928 ；Y. X. Zhang, X. Y.Pu，K . Zhu,et al. . Threshold Property of Whispering-Gallery-Mode Fiber LasersPumped by Evanescent-wave [J], J. Opt. Soc. Am. B· 2011,28 (8): 2048 2056 ;普小云,江楠，白然等，倏逝波激勵(lì)及增益稱合的多波段回音壁模式(Whispering GalleryMode, WGM)光纖激光器，中國(guó)專利，專利號(hào)ZL200810058304)，這種光纖激光器將ー根石英裸光纖插入有増益包層溶液的玻璃套管中，在沿光纖軸線倏逝波光抽運(yùn)激勵(lì)増益的條件下實(shí)現(xiàn)了回音壁模式激光輻射。然而，這種回音壁模式光纖激光器存在不容易微型化、穩(wěn)定性差和缺乏方向性輻射的缺點(diǎn)，妨礙了將其作為微型激光器直接集成到芯片上的可能。為此，開(kāi)發(fā)ー種能夠微型化，集成度高，且具有較長(zhǎng)激光產(chǎn)生長(zhǎng)度和較低抽運(yùn)閾值能力的光纖激光器是具有廣闊的應(yīng)用前景的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的在于提供ー種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，集成于同一塊芯片上并能同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光定向輸出，且穩(wěn)定性好、集成度高、易于微型化、有較長(zhǎng)激光產(chǎn)生長(zhǎng)度和抽運(yùn)閾值能量較低的光纖激光器；本發(fā)明的第二目的在于提供一種該激光器的加工方法。本發(fā)明的第一目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，以聚ニ甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，所述的PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合接觸處設(shè)置與 置入至少一道溝槽，所述溝槽中分段填充增益包層介質(zhì)，其外封裝基片。本發(fā)明的第二目的是這樣實(shí)現(xiàn)的，以聚ニ甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，具體包括下列步驟
A、以將ー根單ー折射率/ ェ的多模石英光纖和至少ー根楔形光纖在不同位置稱合后植入到較低折射率ち的PDMS基片中，在PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合的接觸位置刻出至少ー個(gè)光纖溝槽，在光纖溝槽中分段填入低折射率ち的増益包層介質(zhì)溶液并將基片封裝，所述的/ クル且A1W3 ；
B、采用沿石英光纖軸向倏逝波光抽運(yùn)方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出。本發(fā)明通過(guò)單ー折射率的多模石英光纖和至少ー根楔形光纖在不同位置耦合后植入到較低折射率的聚ニ甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)基片中，在PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合的接觸位置刻出至少ー個(gè)光纖溝槽，在光纖溝槽中分別填入低折射率的増益包層介質(zhì)溶液，利用倏逝波激勵(lì)的回音壁模式激光沿光纖軸向有較長(zhǎng)激光產(chǎn)生長(zhǎng)度的特點(diǎn)，在一根光纖中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出，形成一種基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較，具有如下積極效果
1、本發(fā)明用PDMS代替玻璃套管將激光器固化，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有較長(zhǎng)激光產(chǎn)生長(zhǎng)度、抽運(yùn)閾值能量較低，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)激光器穩(wěn)定性差的不足，有利于激光器與探測(cè)器的集成化及微型化；
2、本發(fā)明所涉及到的エ藝過(guò)程簡(jiǎn)單，成本低廉，且容易實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出，可以為芯片上的生化試驗(yàn)提供所需的光源。


圖I為發(fā)明工作原理示意 圖中1-抽運(yùn)光、2-抽運(yùn)光入射角、3-單ー折射率的石英光纖、4-PDMS、5-光纖溝槽、6-低折射率的激光增益包層溶液、7-楔形光纖。圖2為單色回音壁模式激光器剖面 圖中1-抽運(yùn)光、2-抽運(yùn)光入射角、3-單ー折射率的石英光纖、4-PDMS、5-光纖溝槽、6-低折射率的激光增益包層溶液、7-抽運(yùn)光在増益介質(zhì)溶液中的倏逝場(chǎng)、8-圓柱形微腔回音壁模式的倏逝場(chǎng)。圖3為以波長(zhǎng)為532nm的倍頻YAG激光器做為抽運(yùn)光，所作的激光輻射強(qiáng)度與抽運(yùn)能量的的變化關(guān)系圖。圖中橫坐標(biāo)為抽運(yùn)能量，単位為微焦耳，縱坐標(biāo)為激光輻射強(qiáng)度，單位為任意単位。左上角插圖為単色中等分辨率的回音壁模式激光光譜圖，其中，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，単位是納米，縱坐標(biāo)為激光輻射強(qiáng)度，單位是任意単位。圖4為以波長(zhǎng)為532nm的倍頻YAG激光器做為抽運(yùn)光，采集到的濃度為8X10_3mol/L的羅丹明B的こ醇溶液的回音壁模式激光的產(chǎn)生長(zhǎng)度隨抽運(yùn)能量的變化關(guān)系；
圖中橫坐標(biāo)為抽運(yùn)能量，単位為微焦耳，縱坐標(biāo)為回音壁模式激光的產(chǎn)生長(zhǎng)度，単位為厘米；三角形符號(hào)“▲”表示實(shí)驗(yàn)值，實(shí)線為理論擬合值。圖5為以波長(zhǎng)為532 nm的倍頻YAG激光器做為抽運(yùn)光，采集 到的三色中等分辨率回音壁模式激光光譜圖。圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，単位是納米；縱坐標(biāo)為激光輻射強(qiáng)度，単位是任意單位；
圖5-a中,黃色光,波長(zhǎng)范圍在574 582 nm之間的回音壁模式的激光福射由羅丹明6Gこ醇溶液產(chǎn)生；
圖5b中，橙色光，波長(zhǎng)范圍在598 606 nm之間的回音壁模式的激光輻射由羅丹明610こ醇溶液產(chǎn)生；
圖5c中，紅色光，波長(zhǎng)范圍在627 634 nm之間的回音壁模式的激光輻射由羅丹明640こ醇溶液產(chǎn)生。圖6為以波長(zhǎng)為355 nm的三倍頻YAG激光器做為抽運(yùn)光，采集到的三色中等分辨率回音壁模式激光光譜圖。圖中橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，単位是納米；縱坐標(biāo)為激光輻射強(qiáng)度，單位是任意單位；
圖6a中，藍(lán)色光，波長(zhǎng)范圍在426 434 nm之間的回音壁模式的激光輻射由濃度為IX 10_4 mol/L的ニ苯こ烯420的こニ醇溶液產(chǎn)生；
圖6b中，綠色光，波長(zhǎng)范圍在502 516 nm之間的回音壁模式的激光輻射由濃度為5X 10_3 mol/L香豆素500こ醇和こニ醇混合溶液產(chǎn)生；
圖6c中，紅色光，波長(zhǎng)范圍在690 698 nm之間的回音壁模式的激光輻射由濃度為4X 1(Γ2 mol/L的LDS 698こ醇溶液產(chǎn)生。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步的說(shuō)明，但不以任何方式對(duì)本發(fā)明加以限制，依據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)所作的任何變更或替換，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明激光器的加工方法，以聚ニ甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，將ー根単一折射率/的多模石英光纖和至少ー根楔形光纖在不同位置耦合后植入到較低折射率ち的PDMS基片中，在PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合的接觸位置刻出至少ー個(gè)光纖溝槽，在光纖溝槽中分段填入低折射率ち的増益包層介質(zhì)溶液并將基片封裝，所述的/ 且;采用沿石英光纖軸向倏逝波光抽運(yùn)方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出。作為優(yōu)選實(shí)施方式所述的抽運(yùn)方式是倏逝波光沿光纖軸向在増益包層溶液中以受抑全反射傳播，激光増益沿光纖軸向的分布規(guī)律由(I)式得到
權(quán)利要求
1.一種基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，以聚ニ甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，其特征是所述的PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合接觸處設(shè)置與置入至少一道溝槽，所述溝槽中分段填充增益包層介質(zhì)，其外封裝基片。
2.—種根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器的加工方法，以聚ニ甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，其特征是 A、以將ー根單ー折射率/ ェ的多模石英光纖和至少ー根楔形光纖在不同位置稱合后植入到較低折射率ち的PDMS基片中，在PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合的接觸位置刻出至少ー個(gè)光纖溝槽，在光纖溝槽中分段填入低折射率ち的増益包層介質(zhì)溶液并將基片封裝，所述的/ i >/ 2且flI > 3 ； B、采用沿石英光纖軸向倏逝波光抽運(yùn)方式，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器的加工方法,其特征是所述的抽運(yùn)方式是倏逝波光沿光纖軸向在増益包層溶液中以受抑全反射傳播，激光增益沿光纖軸向的分布規(guī)律由(I)式得到
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是在所述倏逝波光抽運(yùn)的條件下，圓柱形微腔中回音壁模式激光的總損耗由(2)式獲得
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是所述的激光沿光纖軸向產(chǎn)生的最大長(zhǎng)度由(3)式獲得
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是所述的光纖溝槽的數(shù)量與楔形光纖的數(shù)量相匹配。
7.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是所述的光纖溝槽中分段填入的低折射率ち的増益包層介質(zhì)溶液為羅丹明6G、羅丹明B、羅丹明610、羅丹明640、香豆素500、ニ苯こ烯420和LDS698的こ醇溶液或こニ醇溶液或こ醇和こニ醇混合溶液中的任意ー種或ー種以上。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是羅丹明6G、羅丹明B、羅丹明610、羅丹明640、香豆素500、ニ苯こ烯420和LDS698的こ醇溶液或こニ醇溶液或こ醇和こニ醇混合溶液濃度為IX 10_4 4X 10_2 mol/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，其特征是羅丹明6G、羅丹明B、羅丹明610、羅丹明640、香豆素500、ニ苯こ烯420和LDS698的こ醇溶液或こニ醇溶液或こ醇和こニ醇混合溶液濃度為8 X 10_4 8X 10_3 mol/L。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于PDMS的多波段回音壁模式光纖激光器，以聚二甲基硅氧烷PDMS作為基片將激光器及導(dǎo)光光纖集成在一塊芯片上，即將一根單一折射率的多模石英光纖與至少一根楔形光纖在不同位置耦合后植入到PDMS基片中，在PDMS基片與石英光纖及楔形光纖耦合的接觸位置刻出至少一道光纖溝槽，在光纖溝槽中分別填入低折射率的增益包層介質(zhì)溶液并將基片封裝而成。本發(fā)明采用沿光纖軸向倏逝波光抽運(yùn)方式，激光增益通過(guò)光纖圓形諧振腔中具有極高品質(zhì)因素的回音壁模式提供光學(xué)反饋，實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)產(chǎn)生長(zhǎng)度及極低閾值的激光輻射。工藝簡(jiǎn)便，制作成本低廉，在一塊芯片上同時(shí)實(shí)現(xiàn)多波段回音壁模式激光的定向輸出，并可為芯片上的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行生化實(shí)驗(yàn)提供熒光或激光光源。
文檔編號(hào)H01S3/067GK102684043SQ20121017846
公開(kāi)日2012年9月19日 申請(qǐng)日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者馮黎, 劉春 , 張遠(yuǎn)憲, 普小云 申請(qǐng)人:云南大學(xué)