一种基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器及其加工方法

摘要

本发明公开了一种基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，即将一根单一折射率的多模石英光纤与至少一根楔形光纤在不同位置耦合后植入到PDMS基片中，在PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触位置刻出至少一道光纤沟槽，在光纤沟槽中分别填入低折射率的增益包层介质溶液并将基片封装而成。本发明采用沿光纤轴向倏逝波光抽运方式，激光增益通过光纤圆形谐振腔中具有极高品质因素的回音壁模式提供光学反馈，实现较长产生长度及极低阈值的激光辐射。工艺简便，制作成本低廉，在一块芯片上同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出，并可为芯片上的实验室进行生化实验提供荧光或激光光源。

权利要求

1.一种基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，其特征是：所述导光光纤为楔形光纤，楔形光纤的数量为多根；

PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触处刻有多道光纤沟槽，所述光纤沟槽中分段填充有低折射率增益包层介质，其外封装基片；

所述石英光纤为多模石英光纤，多模石英光纤的数量为一根；

所述楔形光纤为多根，多模石英光纤和楔形光纤在不同位置耦合，光纤沟槽的数量与楔形光纤的数量相匹配，楔形光纤实现激光的定向输出；

多模石英光纤的折射率为n1，PDMS基片的折射率为n2，光纤沟槽中分段填入的增益包层介质溶液折射率为n3，n1>n2且n1>n3。

2.一种根据权利要求1所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器的加工方法，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，其特征是：A、以将一根单一折射率n1的多模石英光纤和多根楔形光纤在不同位置耦合后植入到较低折射率n2的PDMS基片中，在PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触位置刻出多个光纤沟槽，在光纤沟槽中分段填入低折射率n3的增益包层介质溶液并将基片封装，所述的n1＞n2且n1＞n3；

B、采用沿石英光纤轴向倏逝波光抽运方式，同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出。

3.根据权利要求2所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器的加工方法，其特征是：所述的抽运方式是倏逝波光沿光纤轴向在增益包层溶液中以受抑全反射传播，激光增益沿光纤轴向的分布规律由（1）式得到：式中，C 为一个由抽运光的耦合效率及染料分子的荧光量子效率等共同确定的常数，N0为染料分子的浓度；λp为抽运光在真空中的波长；εp0为抽运光在石英光纤端面处的抽运能量，θt为抽运光在光纤界面的全反射角， 为 的统计平均值，n1和n3分别是光纤及增益包层溶液的折射率，且n1＞n3； 和 分别为抽运光在染料溶液和在石英光纤内的吸收系数，ηp为抽运光在光纤外以及光纤内外的强度之比。

4.根据权利要求2或3所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器的加工方法，其特征是：在所述倏逝波光抽运的条件下，圆柱形微腔中回音壁模式激光的总损耗由（2）式获得：式中， 和 分别表示回音壁模式激光在增益包层溶液及在光纤中的吸收系数，ηWGM为回音壁模式激光的倏逝场与总模场的体积之比。

5.根据权利要求2或3所述的基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器的加工方法，其特征是：所述的激光沿光纤轴向产生的最大长度由（3）式获得：式中，Zmax为激光的最大产生长度， 和 分别为光纤端面处和激光最大产生长度处的抽运能量。

说明书

一种基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器及其加工

方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光及微流控光学技术领域，涉及一种利用光抽运方式，通过抽运光的倏逝场激励增益，在一块芯片上同时实现多波段回音壁模式激光定向输出的光纤激光器及其加工方法。

背景技术

[0002] 光学器件的微型化、集成化以及光学参数的可调化是现代光学技术发展的主要方向之一。传统光学器件具有体积大、成本高、可调性和稳定性差等缺陷，这直接阻碍了现代光学系统的微型化与集成化进程。为了降低成本，减少人力投入，提高实验精度和可重复性，现代光学研究常常需要将多种实验功能集成在一块独立的芯片上，即“芯片上的实验室”（lab on a chip）。微流控光学（Optofluidics）是现代光学、光电子学和微流控技术相结合而形成的新型交叉前沿学科和技术，可在微米尺度上通过操控流体达到调节系统的光学或光电子学特性的目的。微流控光学系统具有快速、高效、样品取样少等优点，在生物技术、化学分析、环境科学等领域广泛应用。然而，微流控光学系统的两个最主要的组成部分，即光源和传感器却难于集成到芯片中，从而限制了微流控光学系统的功能集成度和便携性。为了实现光源和微流控芯片的集成，多个研究组提出和展示了不同结构和材料的微流控芯片激光器（比如：B. Helbo，A. Kristensen and A. Menon. A micro-cavity fluidic dye laser [J]，J. Micromech. Microeng，2003，13（03）： 307-311；还有D. V. Vezonov，B. T. Mayers，Conroy R S et al.. A low-threshold，high-effciency microfluidic waveguide laser [J]，J. AM. CHEM. SOC. 2005，127（25）：8952-8953；以及J. C. Galas，J. Torres，M. Belotti et al.. Microfluidic tunable dye laser with integrated mixer and ring resonator [J]，App. Phy. Lett. 2005，86（26）： 264101-1-264101-3等），但这类激光器存在结构复杂或者抽运阈值能量较高等缺点。本发明人已经对倏逝波（Evanescent Wave）激励的回音壁模式光纤激光器的现有技术进行了较为系统的研究和分析(江楠，杜飞，白然等，影响柱形微腔回音壁模激光抽运阈值能量的因素[J]，中国激光，2008，35（5）：660～663；张远宪，韩德昱，祝昆等，包层介质引起的回音壁模式光纤激光波长漂移[J]，中国激光，2010，36（3）：691～694；普小云、白然、向文丽等，消逝波激励的双波段光纤回音壁模式激光辐射[J]，物理学报，2009，58（6）：3923-3928；Y. X. Zhang，X. Y. Pu，K . Zhu，et al.. Threshold Property of Whispering-Gallery-Mode Fiber Lasers Pumped by Evanescent-wave [J]，J. Opt. Soc. Am. B. 2011，28（8）： 2048～2056；
普小云，江楠，白然等，倏逝波激励及增益耦合的多波段回音壁模式（Whispering Gallery Mode，WGM）光纤激光器，中国专利，专利号：ZL200810058304），这种光纤激光器将一根石英裸光纤插入有增益包层溶液的玻璃套管中，在沿光纤轴线倏逝波光抽运激励增益的条件下实现了回音壁模式激光辐射。然而，这种回音壁模式光纤激光器存在不容易微型化、稳定性差和缺乏方向性辐射的缺点，妨碍了将其作为微型激光器直接集成到芯片上的可能。为此，开发一种能够微型化，集成度高，且具有较长激光产生长度和较低抽运阈值能力的光纤激光器是具有广阔的应用前景的。

发明内容

[0003] 本发明的第一目的在于提供一种结构简单，集成于同一块芯片上并能同时实现多波段回音壁模式激光定向输出，且稳定性好、集成度高、易于微型化、有较长激光产生长度和抽运阈值能量较低的光纤激光器；本发明的第二目的在于提供一种该激光器的加工方法。

[0004] 本发明的第一目的是这样实现的，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，所述的PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合接触处设置与置入至少一道沟槽，所述沟槽中分段填充增益包层介质，其外封装基片。

[0005] 本发明的第二目的是这样实现的，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，具体包括下列步骤：

[0006] A、以将一根单一折射率n1的多模石英光纤和至少一根楔形光纤在不同位置耦合后植入到较低折射率n2的PDMS基片中，在PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触位置刻出至少一个光纤沟槽，在光纤沟槽中分段填入低折射率n3的增益包层介质溶液并将基片封装，所述的n1>n2且n1>n3；

[0007] B、采用沿石英光纤轴向倏逝波光抽运方式，同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出。

[0008] 本发明通过单一折射率的多模石英光纤和至少一根楔形光纤在不同位置耦合后植入到较低折射率的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）基片中，在PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触位置刻出至少一个光纤沟槽，在光纤沟槽中分别填入低折射率的增益包层介质溶液，利用倏逝波激励的回音壁模式激光沿光纤轴向有较长激光产生长度的特点，在一根光纤中同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出，形成一种基于PDMS的多波段回音壁模式光纤激光器。

[0009] 本发明与现有技术比较，具有如下积极效果：

[0010] 1、本发明用PDMS代替玻璃套管将激光器固化，结构简单、有较长激光产生长度、抽运阈值能量较低，弥补了传统激光器稳定性差的不足，有利于激光器与探测器的集成化及微型化；

[0011] 2、本发明所涉及到的工艺过程简单，成本低廉，且容易实现多波段回音壁模式激光的定向输出，可以为芯片上的生化试验提供所需的光源。

附图说明

[0012] 图1为发明工作原理示意图；

[0013] 图中：1-抽运光、2-抽运光入射角、3-单一折射率的石英光纤、4-PDMS、5-光纤沟槽、6-低折射率的激光增益包层溶液、7-楔形光纤。

[0014] 图2为单色回音壁模式激光器剖面图；

[0015] 图中：1-抽运光、2-抽运光入射角、3-单一折射率的石英光纤、4-PDMS、5-光纤沟槽、6-低折射率的激光增益包层溶液、7-抽运光在增益介质溶液中的倏逝场、8-圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场。

[0016] 图3为以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，所作的激光辐射强度与抽运能量的的变化关系图。图中：横坐标为抽运能量，单位为微焦耳，纵坐标为激光辐射强度，单位为任意单位。左上角插图为单色中等分辨率的回音壁模式激光光谱图，其中，横坐标为波长，单位是纳米，纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位。

[0017] 图4为以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，采集到的浓度为8×10-3 mol/L的罗丹明B的乙醇溶液的回音壁模式激光的产生长度随抽运能量的变化关系；

[0018] 图中：横坐标为抽运能量，单位为微焦耳，纵坐标为回音壁模式激光的产生长度，单位为厘米；三角形符号“▲”表示实验值，实线为理论拟合值。

[0019] 图5为以波长为532 nm的倍频YAG激光器做为抽运光，采集到的三色中等分辨率回音壁模式激光光谱图。图中：横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位；

[0020] 图5-a中，黄色光，波长范围在574～582 nm之间的回音壁模式的激光辐射由罗丹明6G乙醇溶液产生；

[0021] 图5b中，橙色光，波长范围在598～606 nm之间的回音壁模式的激光辐射由罗丹明610乙醇溶液产生；

[0022] 图5c中，红色光，波长范围在627～634 nm之间的回音壁模式的激光辐射由罗丹明640乙醇溶液产生。

[0023] 图6为以波长为355 nm的三倍频YAG激光器做为抽运光，采集到的三色中等分辨率回音壁模式激光光谱图。图中：横坐标为波长，单位是纳米；纵坐标为激光辐射强度，单位是任意单位；

[0024] 图6a中，蓝色光，波长范围在426～434 nm之间的回音壁模式的激光辐射由浓度-4为1×10 mol/L的二苯乙烯420的乙二醇溶液产生；

[0025] 图6b中，绿色光，波长范围在502～516 nm之间的回音壁模式的激光辐射由浓度-3为5×10 mol/L香豆素500乙醇和乙二醇混合溶液产生；

[0026] 图6c中，红色光，波长范围在690～698 nm之间的回音壁模式的激光辐射由浓度-2为4×10 mol/L的LDS 698乙醇溶液产生。

具体实施方式

[0027] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，依据本发明的教导所作的任何变更或替换，均属于本发明的保护范围。

[0028] 本发明激光器的加工方法，以聚二甲基硅氧烷PDMS作为基片将激光器及导光光纤集成在一块芯片上，将一根单一折射率n1的多模石英光纤和至少一根楔形光纤在不同位置耦合后植入到较低折射率n2的PDMS基片中，在PDMS基片与石英光纤及楔形光纤耦合的接触位置刻出至少一个光纤沟槽，在光纤沟槽中分段填入低折射率n3的增益包层介质溶液并将基片封装，所述的n1>n2且n1>n3；采用沿石英光纤轴向倏逝波光抽运方式，同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出。

[0029] 作为优选实施方式：所述的抽运方式是倏逝波光沿光纤轴向在增益包层溶液中以受抑全反射传播，激光增益沿光纤轴向的分布规律由（1）式得到：

[0030] ， （1）

[0031] 式中，C 为一个由抽运光的耦合效率及染料分子的荧光量子效率等共同确定的常数，N0为染料分子的浓度；λp为抽运光在真空中的波长；εp0为抽运光在石英光纤端面处的抽运能量，θt为抽运光在光纤界面的全反射角，为的统计平均值，n1和n3分别是光纤及增益包层溶液的折射率，且n1>n3；和分别为抽运光在染料溶液和在石英光纤内的吸收系数，ηp为抽运光在光纤外以及光纤内外的强度之比；

[0032] 在所述倏逝波光抽运的条件下，圆柱形微腔中回音壁模式激光的总损耗由（2）式获得：

[0033] ， （2）

[0034] 式中，和分别表示回音壁模式激光在增益包层溶液及在光纤中的吸收系数，ηWGM为回音壁模式激光的倏逝场与总模场的体积之比。

[0035] 所 述 的 激 光 沿 光 纤 轴 向 产 生 的 最 大 长 度 由（3）式 获 得：， （3）

[0036] 式中，Zmax为激光的最大产生长度，和分别为光纤端面处和激光最大产生长度处的抽运能量。

[0037] 所述的光纤沟槽中分段填入的低折射率n3的增益包层介质溶液为罗丹明6G、罗丹明B、罗丹明610、罗丹明640、香豆素500、二苯乙烯420和LDS698的乙醇溶液或乙二醇溶液或乙醇和乙二醇混合溶液中的任意一种或一种以上。

[0038] 所述的罗丹明6G、罗丹明B、罗丹明610、罗丹明640、香豆素500、二苯乙烯420和-4 -2LDS698的乙醇溶液或乙二醇溶液或乙醇和乙二醇混合溶液浓度为1×10 ～4×10 mol/L。

[0039] 所述的光纤沟槽的数量与楔形光纤的数量相匹配。

[0040] 本发明的工作原理：

[0041] 单一折射率的石英光纤3和楔形光纤7耦合后植入到PDMS基片4，在PDMS基片4与耦合光纤的接触位置刻出3个光纤沟槽5，在5中分别填入低折射率的激光增益介质溶液6后进行封装。抽运光1以入射角2小于光线在包层4的界面发生全反射时需要的角度（θic）以及在增益包层5界面发生受抑全反射时需要的角度沿光纤轴向进入单一折射率的石英光纤3，圆柱形微腔回音壁模式的倏逝场中的光子在增益包层5中产生受激辐射，并在圆柱形微腔回音壁模式的支持下，形成三色回音壁模式激光辐射，回音壁模式激光垂直于3的轴向并沿3的边缘辐射出来，经楔形光纤7耦合后实现三色激光的定向输出。

[0042] 实施例1

[0043] 采用图2所示装置，用波长为532nm的倍频YAG激光器作为抽运光，抽运光经一焦o距为20 mm的聚焦透镜汇聚后，以2θi=29 的入射锥角进入光纤3的前端面，θi小于最大o
入射孔径角θic=22.7，光在PDMS段4中以全反射方式传播，光线进入增益包层段6在光o o
纤界面的入射角θt =80.1，大于临界入射角θc=69.2，所以，抽运光在增益包层段6中以受抑全反射方式沿光纤轴向（Z轴）传播。垂直于光纤轴向的任意截面都构成一个圆柱形微腔，抽运光在增益包层溶液中的倏逝场7激励染料产生增益，圆柱形微腔回音壁模式倏逝场8中的光子在染料增益中产生受激辐射，在微腔回音壁模式的支持下形成激光振荡。回音壁模式激光的光能沿光纤表面垂直于Z轴的方向辐射出来，由导光光纤送至光谱采集系统。激光沿Z轴的产生长度由一平行于Z轴的直尺进行测量。

[0044] 实施例2

[0045] 图3是激光辐射强度随抽运能量的变化关系，左上角插图为用密度为2400 g/mm的光栅采集到的中等分辨率的回音壁模式激光光谱图。由图3可见，当抽运能量超过8.7μJ时，激光辐射强度急剧增加，8.7μJ的抽运能量就是此回音壁模式激光器的阈值能量。

[0046] 实施例3

[0047] 图4是浓度为4×10-3 mol/L的罗丹明B的乙醇溶液的回音壁模式激光的产生长度随抽运能量的变化关系。三角形符号“▲”表示实验值，实线为理论拟合值。由图4可知，在抽运能量较低时，回音壁模式激光的产生长度随抽运能量的增加迅速增大，在激光产生长度达到一定数值后，激光的产生长度随能量的增加而迅速增大的趋势变缓，继续增大能量并不能显著增加激光的产生长度。利用回音壁模式激光沿光纤轴向具有较长产生长度的特点，在光纤的轴向分段（图1中的5）填入不同的激光增益介质溶液，即可在一根光纤中同时实现多波段回音壁模式激光的定向输出。

[0048] 实施例4

[0049] 在图1所示的光纤沟槽5中分段填入浓度均为4×10-3 mol/L的罗丹明640、罗丹明610以及罗丹明6G的乙醇溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端用2400g/mm的光栅采集到的中等分辨率的回音壁模式激光光谱如图5a、图5b、图5c所示。在一个光纤中同时实现“黄-橙-红”三波段激光的定向输出。

[0050] 实施例5

[0051] 在图1所示的光纤沟槽5中分段填入浓度为4×10-2 mol/L的LDS 698乙醇溶液、-3 -45×10 mol/L香豆素500乙醇和乙二醇混合溶液以及1×10 mol/L的二苯乙烯420的乙二醇溶液，以波长为355nm的三倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端用2400g/mm的光栅采集到的中等分辨率的回音壁模式激光光谱如图6a、图6b、图6c所示。在一个光纤中同时实现“红-绿-蓝”三波段激光的定向输出。

[0052] 实施例6

[0053] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为4×10-2 mol/L的香豆素500、二苯乙烯420和LDS698的乙醇和乙二醇1：1混合溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-绿-蓝”三波段激光的定向输出。

[0054] 实施例7

[0055] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为1×10-4 mol/L的罗丹明640、罗丹明610、二苯乙烯420的乙二醇溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-橙-蓝”三波段激光的定向输出。

[0056] 实施例8

[0057] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为8×10-4 mol/L的罗丹明640、二苯乙烯420和LDS698的乙二醇溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-红-蓝”三波段激光的定向输出。

[0058] 实施例9

[0059] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为4×10-3 mol/L的香豆素500、二苯乙烯420以及罗丹明6G的乙醇和乙二醇1：3混合溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“黄-绿-蓝”三波段激光的定向输出。

[0060] 实施例10

[0061] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为1×10-3 mol/L的二苯乙烯420、LDS698以及罗丹明6G的乙醇和乙二醇2：3混合溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-黄-蓝”三波段激光的定向输出。

[0062] 实施例11

[0063] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为8×10-3 mol/L的香豆素500、LDS698以及罗丹明6G的乙醇溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-黄-绿”三波段激光的定向输出。

[0064] 实施例12

[0065] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为2×10-2 mol/L的罗丹明610、二苯乙烯420和LDS698的乙醇溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-橙-蓝”三波段激光的定向输出。

[0066] 实施例13

[0067] 光纤沟槽5中分段填入浓度均为4×10-4 mol/L的罗丹明610、香豆素500、和LDS698的乙醇和乙二醇的1：5混合溶液，以波长为532nm的倍频YAG激光器做为抽运光，抽运光沿石英光纤轴向，在光纤7的末端同时实现“红-橙-绿”三波段激光的定向输出。