一种增强自激发拉曼激光的装置的制作方法

1.本实用新型属于激光波长扩展领域，具体涉及一种增强自激发拉曼激光的装置。


背景技术：

2.由于物理学、化学、生物学等激光应用领域中，考虑到原子、分子的能级差，当且仅当激发光具有特定的频率时，光波携带的能量才能被高效利用，这就要求激发光源具有高能量和高功率密度的单色激光输出。但有限的激光增益介质与其各自独立的激发方式决定了每一种激光器都需要一套与之相匹配的激励-振荡-辐射装置，并且通常情况下只能输出一种波长的激光，从效率和成本上对科研、生产等方面造成不利。
3.随着技术的进步，激光器朝着集成化、小型化的方向演化，微型激光器正逐渐引起研究人员的关注。自激发拉曼激光是一种泵浦光激励增益介质，受激辐射产生基频激光，进而基频激光在介质传输因受激散射而产生频移的拉曼激光的现象。自激发拉曼激光器使用同一增益介质、同一谐振腔同时产生基于两种机理的激光。自激发拉曼激光产生方式减少了光学器件，缩减了激光器体积，使激光系统的结构更为紧凑。这种激光器的优势在于：一方面，激光器内光学元件的减少意味着产生热量等无用损耗更少，对于泵浦光的转换效率更高；另一方面，激光器内光学元件减少，避免了激光系统中激光介质与拉曼频移介质之间相对振动导致的异常，从而稳定性提高。
4.为了增强自激发拉曼激光，根据拉曼增益因子取决于基质玻璃材料的三阶非线性系数，而玻璃的三阶非线性系数在很大程度上取决于在玻璃中掺杂形成网格的阴阳离子键的极化率。限制离子极化的因素主要有代表原子核对电子束缚能力的电负性和代表已被极化电子对未被极化的电子具有屏蔽极化作用的排斥势，这两者都随半径增加而降低，因此重金属离子电子层数更多、半径更大、极化率更高、非线性系数更大，所以可以通过掺杂含有重金属离子并且在激励光与拉曼光波段损耗低的氧化物以增强自激发拉曼激光。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种增强自激发拉曼激光的装置，该装置有利于获得增强的自激发拉曼激光。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种增强自激发拉曼激光的装置，包括：
7.激光器，用于提供激励光；
8.第一传输光纤，用于传输激励光；
9.镀膜微球腔，所述镀膜微球腔为镀有稀土离子与重金属氧化物共掺薄膜的sio2微球腔，用于产生基频激光和自激发拉曼激光；
10.双锥光纤，与第一传输光纤低损耗连接并用于与镀膜微球腔相互耦合将泵浦激光耦合入微球，将产生的基频激光、拉曼激光耦合出微球；以及
11.第二传输光纤，用于传输出基频激光和多级自激发拉曼激光；
12.所述第一传输光纤一端与所述激光器连接，另一端与所述双锥光纤一端连接，所述双锥光纤锥腰与所述镀膜微球腔赤道相切耦合，所述第二传输光纤一端与所述双锥光纤另一端连接，所述第二传输光纤另一端为基频激光、多级自激发拉曼激光输出口。
13.进一步地，所述镀膜微球腔由溶胶凝胶法对微球腔镀功能薄膜制成，所述功能薄膜厚度在0.5μm-2μm之间，所述微球腔由单锥光纤熔融制成，直径在20μm-5000μm之间。
14.进一步地，所述单锥光纤由氢气火焰加热一段标准单模光纤并拉伸制成。
15.进一步地，所述稀土离子为镱离子yb
3
、铒离子er
3
或铥离子tm
3
，所述重金属氧化物为二氧化锆zro2、二氧化钛tio2或它们的组合，镱离子通过硝酸镱或氯化镱加入。
16.进一步地，所述激光器为输出波长为980nm或者1500~1600nm的半导体激光器，用于激励微球中稀土离子产生受激辐射激光，即基频激光。
17.进一步地，所述第一传输光纤和第二传输光纤均为标准通信石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。
18.进一步地，产生的基频激光、自激发拉曼激光强度通过光谱分析仪、光功率计或光波长计检测。
19.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
20.（1）易实现自激发拉曼激光。本实用新型运用镀膜微球腔获得远超法布里-珀罗微腔或光子晶体微腔的品质因子和功率密度，有利于实现非线性光学过程，获得自激发拉曼激光。
21.（2）增强自激发拉曼激光。本实用新型通过增强受激拉曼散射的方式增强自激发拉曼激光，在作为发光中心的稀土离子达到最佳浓度，限制了自激发拉曼激光的最高强度时，通过增强拉曼增益因子的方式进一步获得强度更高的自激发拉曼激光。
22.（3）损耗较小。本实用新型采用的激励光为红外或近红外光（如980nm，1550nm波长），此波段光在光纤中传播时的损耗较小，而产生的自激发拉曼激光在光纤中的损耗相近，所以能实现较高功率的自激发拉曼激光输出。
23.（4）成本低。本实用新型采用的激光器、第一传输光纤、第二传输光纤等都是常用的、技术可靠的产品，可以大大降低自激发拉曼激光器的成本。
附图说明
24.图1为本实用新型实施例的装置结构示意图。
25.图2为本实用新型实施例中双锥光纤与镀膜微球腔的耦合示意图。
26.图3为本发明实施例中产生的基频激光、一阶、二阶、三阶自激发拉曼激光随泵浦光功率变化的输出功率测试图。
27.图4为本实用新型实施例中自激发拉曼激光增强测试图。
具体实施方式
28.下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
29.如图1~2所示，本实施例提供了一种基于重金属氧化物掺杂增强自激发拉曼激光的装置，包括：
30.激光器，用于提供激励光；
31.第一传输光纤，用于传输激励光；
32.镀膜微球腔，所述镀膜微球腔为熔融锥光纤制备微球、采用溶胶凝胶法将一定比例的正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸、二甲基-甲酰胺、稀土硝酸盐或氯化盐、与正丙醇锆或钛酸四丁酯化学试剂混合制成凝胶镀在微球外层，在高温熔融后形成镀有稀土离子与重金属氧化物共掺薄膜的sio2微球腔，用于产生基频激光和自激发拉曼激光；
33.双锥光纤，与第一传输光纤低损耗连接并用于与镀膜微球腔相互耦合将泵浦激光耦合入微球，将产生的基频激光、拉曼激光耦合出微球；以及
34.第二传输光纤，用于传输出基频激光和多级自激发拉曼激光；
35.所述第一传输光纤一端与所述激光器连接，另一端与所述双锥光纤一端连接，所述双锥光纤锥腰与所述镀膜微球腔赤道相切耦合，所述第二传输光纤一端与所述双锥光纤另一端连接，所述第二传输光纤另一端为基频激光、多级自激发拉曼激光输出口。
36.其中，所述镀膜微球腔由溶胶凝胶法对微球腔镀功能薄膜制成，所述功能薄膜厚度在0.5μm-2μm之间，所述微球腔由单锥光纤熔融制成，直径在20μm-5000μm之间。在本实施例中，所述功能薄膜厚度在0.5μm，所述微球腔直径在68μm。
37.在本实施例中，所述单锥光纤由氢气火焰加热某小段标准单模光纤并拉伸制成。
38.在本实施例中，所述溶胶凝胶法为实现重金属氧化物、sio2、稀土离子共掺杂的方法，所述稀土离子为镱离子yb
3
、铒离子er
3
或铥离子tm
3
，所述重金属氧化物为二氧化锆zro2、二氧化钛tio2或它们的组合，镱离子通过硝酸镱或氯化镱加入。现有的自激发拉曼激光器通常是通过掺杂稀土离子作为敏化剂增强产生基频光的稀土离子对泵浦光源的转换效率，通过增强基频光的方式获得高功率的自激发拉曼激光；而本实用新型采用的敏化剂是重金属离子，通过增强受激拉曼散射的方式获得高功率的自激发拉曼激光。
39.在本实施例中，所述溶胶凝胶法采用yb
3
与zr
4
或ti
4
共掺溶胶，其包括以下步骤：
40.步骤s1：将正硅酸乙酯teos、无水乙醇etoh、去离子水h2o、盐酸hcl、二甲基-甲酰胺dmf、所需元素掺杂原料一同放入烧杯中，体积比例为teos：etoh：h2o：dmf：hcl=5.6：5.6：2.7：0.15：0.3，其中dmf的作用是为了保护凝胶膜层，使最终获得的功能薄膜致密无开裂；稀土元素掺杂可根据实际需求设计原料的用量，因混合物中si元素仅由teos提供，故参与反应的teos体积与最终获得的溶胶中sio2质量的比例为teos：sio2=5.6ml：1.502g；根据此比例式进一步获得其他产量溶胶掺杂稀土元素与sio2之间的质量比或摩尔比；所用试剂纯度为99.9%；以上混合试剂体积共v放置于烧杯中；
41.步骤s2：在烧杯中加入计算量的稀土硝酸盐或氯化盐（如硝酸镱五水合物、硝酸铒五水合物），以及正丙醇锆或钛酸四丁酯，使薄膜的稀土离子（如yb
3
）为2~10%mol，使薄膜的氧化物的比例为5~20%mol；在容器中放入磁力振子，将烧杯密封并放置到磁力搅拌器上；
42.步骤s3：开启磁力搅拌器，在常温下搅拌3~6小时；
43.步骤s4：关掉磁力搅拌器，将烧杯静置5~15小时形成溶胶，放置于20~25℃环境保存备用。
44.在本实施例中，采用所述溶胶凝胶法对微球腔外镀发光功能薄膜，其包括以下步骤：
45.步骤p1：电极放电弧光或高温氢气火焰烧制微球：将单锥光纤尖端放置在放电电极尖端连线正中，设置特定的放电强度与放电时间，放电熔融单锥光纤尖端位置后，自然冷
却液体表面张力作用形成微球腔，将微球腔放置在显微镜下观察并测量记录直径；
46.步骤p2：重复步骤p1，直到微球腔直径在20μm-5000μm之间；
47.步骤p3：将所述微球腔浸入凝胶3~10min，取出晾干3~10min，将附着晾干凝胶的微球腔放置在放电电极尖端连线处，设置特定的放电强度与放电时间，将凝胶加热熔融后，自然冷却为致密的发光功能薄膜，将镀膜微球腔显微镜下观察并测量记录直径；
48.步骤p4：重复步骤p3，直到发光功能薄膜厚度在0.5μm-2μm之间。
49.研究表明，将976nm激光耦合入yb
3
掺杂镀膜微球腔时，会产生很强的基频光，基频光的波长在1070nm到1130nm之间。当基频光足够强时，会产生一阶自激发拉曼激光，波长范围在1130nm到1175nm之间。当一阶自激发拉曼激光足够强时，会产生二阶自激发拉曼激光，波长范围在1175nm到1225nm之间。当二阶自激发拉曼激光足够强时，会产生三阶自激发拉曼激光，波长范围在1260nm到1310nm之间。第一传输光纤与第二传输光纤选择直径为125μm的普通通信单模石英光纤，双锥光纤的原料同样选用直径为125μm的普通通信单模石英光纤。
50.实验研究得到该样品的自激发拉曼激光增益因子随重金属掺杂浓度发生变化。对于掺杂浓度范围在0%~20%之间的yb
3 -ti
4
共掺镀膜微球腔，最佳掺杂浓度为15%，分别增强一阶自激发拉曼增益系数67倍，增强二阶自激发拉曼增益系数13倍，增强三阶自激发拉曼激光增益系数29倍。
51.在本实施例中，所述激光器为输出波长为980nm或者1500~1600nm的半导体激光器，用于激励微球中稀土离子（如镱、铒、铥离子）产生受激辐射激光——称为基频激光。
52.在本实施例中，所述第一传输光纤和第二传输光纤均为标准通信石英光纤、塑料光纤或尼龙光纤。
53.在本实施例中，产生的自激发拉曼激光强度通过光谱分析仪、光功率计或光波长计检测。
54.本实施例还提供了基于上述装置的增强自激发拉曼激光的方法，将镀膜微球腔与双锥光纤耦合，开启激光器，将激光器发出的光作为激励光经第一传输光纤传输至双锥光纤，激励光通过倏逝波耦合入镀膜微球腔中，受激辐射产生基频激光。随着泵浦功率的增加，基频激光增强，并在sio2微球中产生受激散射光，即自激发拉曼激光。由基频光产生的拉曼激光为第一阶自激发拉曼激光。第一阶自激发拉曼激光足够强时，产生第二阶自激发拉曼激光。同理，产生第三阶自激发拉曼激光，
……
，从而实现激光波长的扩展。本实用新型基质sio2材料中掺入一定比例的重金属氧化物有利于增强材料的拉曼增益系数，使一阶、二阶、三阶等自激发拉激光得到增强。由于掺杂重金属氧化物能增大介质的拉曼系统数，故此方法可以增强多阶自激发拉曼激光。
55.本实施例中的激光器为976nm激光器，输出的激光作为泵浦光通过一条直径为125μm的石英光纤（即第一传输光纤）后进入双锥光纤，通过双锥光纤耦合入直径在68μm、功能薄膜厚度在0.5μm、掺杂有yb
3
、ti
4
组合的镀膜微球腔中，产生的自激发拉曼激光耦合出微球腔进入双锥光纤，通过另一条直径为125μm的石英光纤（即第二传输光纤）输出。本实施例中输出端与光谱分析仪相连接，实测得耦合入微球腔功率相同的情况下输出更高功率的自激发拉曼激光。
56.图3为本实施例中产生的自激发拉曼激光增强测试图。其中，各浓度ti
4
掺杂微球
腔输出的各阶自激发拉曼激光强度随耦合功率变化的趋势。图3(a)示出了不同掺杂浓度的微球腔输出基频激光随耦合功率变化的趋势，图3 (b)示出了不同掺杂浓度的微球腔输出第一阶自激发拉曼激光随耦合功率变化的趋势，图3 (c)示出了不同掺杂浓度的微球腔输出第二阶自激发拉曼激光随耦合功率变化的趋势，图3 (d)示出了不同掺杂浓度的微球腔输出第三阶自激发拉曼激光随耦合功率变化的趋势。
57.图4为本实施例中自激发拉曼激光增强测试图。主图是在976nm激光泵浦下yb
3
单掺与yb
3 -ti
4
共掺微球自激发拉曼激光光谱，插图是最高阶自激发拉曼激光的局部细节图。图4(a)是泵浦功率为18.5dbm的情况下的yb
3
单掺sio2微球腔一阶自激发拉曼激光光谱；图4 (b)是泵浦功率为24.3dbm时yb
3
单掺sio2微球腔三阶自激发拉曼激光光谱；图4(c)是泵浦功率为18.5dbm时yb
3 -ti
4
共掺sio2微球腔三阶自激发拉曼激光光谱。
58.综上所述，本实用新型基于重金属氧化物掺杂增强自激发拉曼激光的装置，结构简单，成本低，可靠性高，可以在耦合入球腔功率不变的情况下获得更高功率的自激发拉曼激光。
59.上列较佳实施例，对本实用新型的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。