一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器的製造方法
2023-06-16 15:57:36 1
一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器的製造方法
【專利摘要】本發明公布了一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，現有技術系統複雜、不可調控、製備工藝要求很高。本發明利用採用光學行波光學諧振腔，將電流變效應和光流控技術相結合，構成諧染料雷射器。入射泵浦光束依次經過透光孔進入光學行波光學諧振腔；光學行波光學諧振腔為雙層圓柱殼狀腔體，圓柱殼狀腔體的外層殼體內表面設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸浮液增益，產生出射雷射束；圓柱殼狀腔體的內外層殼體之間施加控制電場，實現光學諧振條件和雷射出射模式的調控。本發明具有光學行波腔結構、系統簡單、小型化程度高、製備工藝簡單、電場調控光束輸出模式、光能利用率高、使用範圍廣、使用靈活等特點。
【專利說明】一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器
【技術領域】
[0001] 本發明屬於光學【技術領域】，涉及一種雷射器，特別是一種電場調控的光學行波光 流體染料雷射器，主要用於光電檢測、光譜技術、雷射測量、光纖通訊、雷射加工、雷射打標、 雷射焊接、雷射制導、雷射醫學、無線光通信、光學微操縱、光學顯微等領域中作為雷射光 源。 技術背景
[0002] 雷射器是利用受激輻射原理使光在某些受激發的物質中放大或振蕩發射的器件。 產生雷射的必不可少的條件是粒子數翻轉和增益大過損耗，通常，雷射器裝置包括：激勵 源、工作介質、諧振腔。激勵是工作介質吸收外來能量後激發到激發態，為實現並維持粒子 數反轉創造條件；工作介質具有亞穩能級是使受激輻射佔主導地位，從而實現光放大；諧 振腔可以很好地縮短工作物質的長度，還能通過改變諧振腔長度來調節所產生雷射的模 式。目前，已經存在許多種雷射器，常見的有氣體雷射器、固體雷射器、染料雷射器、半導體 雷射器，近期也出現了小尺度的納米雷射器和活體生物雷射器。
[0003] 近些年來微流控技術得到很大的發展，將微流控技術和光學結合，形成了新興學 科光流控（Optofluidics)。而染料作為很好的雷射增益介質，具有閾值低，波長調節範圍 廣，基本覆蓋整個可見光區域，利用倍頻技術還可以延伸至紫外和紅外區域。懸浮液的狀態 可以用電場來控制，科學家把它稱為電流變體。並把這種現象稱為"溫斯洛現象"或"電流 變現象"。具有電流變效應的液體稱為電流變液，電流變液在通常條件下是一種懸浮液，它 在電場的作用下可發生液體一固體的轉變.當外加電場強度大大低於某個臨界值時，電流 變液呈液態；當電場強度大大高於這個臨界值時，它就變成固態；本質上是由於在外加電 場作用下，電流變液內部微觀結構發生變化。
[0004] 在先技術中，存在基於光流控技術的染料雷射光源，參見一個美國專利，美國專 利名稱：Mechanically tunable elastomeric optofluidic distributed feedback dye laser，專利號：US 7,817,698，B2。該雷射器具有相當的優點，但是，仍然存在一些本質不 足：1)系統採用光學光柵形成反饋，在三維光波導中構建光學光柵，形成分布式反饋系統， 進而形成光學諧振腔，且均為微觀結構，這樣從本質上是的系統對製備工藝要求很高，製備 雷射器的工序複雜，難度大，整個系統複雜；2)系統中的光學微結構一旦形成則無法更改， 光學諧振腔結構不可調節，這樣，導致雷射器輸出光束的模式不可調節，影響了光源使用範 圍和應用靈活性；3):採用線型精細度腔結構，雷射在高精細度腔內形成光學駐波，導致光 強分布不均，以及光學光柵易對雷射器產生幹擾；4)泵浦方式為旁軸非對稱式泵浦，泵浦光 束側面照射到光增益區域，及含有染料分子的區域，泵浦光束單次激發，光能量利用率低， 泵浦效應的均勻性不高，影響雷射器輸出光束質量。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種電場調控的光學行波光流體染 料雷射器，具有光學行波腔結構、系統簡單、小型化程度高、製備工藝簡單、電場調控光束輸 出模式、泵浦光能利用率高，使用範圍廣，光束質量好、使用靈活等特點。
[0006] 本發明的基本構思是：採用光學行波光學諧振腔，將電流變效應和光流控技術相 結合，基於染料雷射工作原理，構成電場調控雷射輸出模式的可調諧染料雷射器。入射泵 浦光束依次經過透光孔進入光學行波光學諧振腔；光學行波光學諧振腔為雙層圓柱殼狀腔 體，圓柱殼狀腔體的內外層殼體之間為設置有染料懸浮液，圓柱殼狀腔體的外層殼體內表 面設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸浮液增益，產生出射 雷射束；圓柱殼狀腔體的內外層殼體之間施加控制電場，實現光學諧振條件和雷射出射模 式的調控。本發明不僅具有現有光流控雷射器現有優點，同時具有光學行波腔結構、系統 簡單、小型化程度高、製備工藝簡單、電場調控光束輸出模式、泵浦光能利用率高、使用範圍 廣、光束質量好、使用靈活等特點。
[0007] 本發明包括：泵浦光源和光學行波光學諧振腔；光學行波光學諧振腔為雙層圓柱 殼狀腔體，包括外層圓柱殼體、內層圓柱殼體、泵浦光入射窗口、雷射出射窗口、染料懸浮液 入口和染料懸浮液出口，泵浦光源出射光束經過泵浦光入射窗口入射到光學行波光學諧振 腔腔內；外層圓柱殼體和內層圓柱殼體的圓柱體對稱軸相重合，並且內層圓柱殼體圓柱徑 向半徑小於外層圓柱殼體徑向半徑，外層圓柱殼體和內層圓柱殼體之間的空腔設置有染料 顆粒懸浮液，雙層圓柱殼狀腔體的一個表面設有燃料懸浮液入口，雙層圓柱殼狀腔體的另 一個表面設有燃料懸浮液出口；泵浦光入射窗口和雷射出射窗口設置在外層圓柱殼體上， 外層圓柱殼體的外表面設置有第一電極層，外層圓柱殼體的內表面設置有雷射反射層，受 激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸浮液增益，產生出射雷射束；內層圓柱殼體的 外表面設置有第二電極層，外層圓柱殼體外表面的第一電極和內層圓柱殼體外表面的第二 電極層之間可以施加電壓，，用於調控染料顆粒懸浮液微結構變化實現輸出光場調控。
[0008] 所述的泵浦光源為氣體雷射器、半導體雷射器、固體雷射器、染料雷射器的一種。
[0009] 所述的外層圓柱殼體的外表面的第一電極層為透光導電膜層、導電金屬網絡層、 金屬導電薄膜的一種。
[0010] 所述的外層圓柱殼體的內表面的雷射反射層是對於雷射反射率大於90%的多層 介質反射層和金屬反射層的一種。
[0011] 所述的內層圓柱殼體的外表面的第二電極層為透光導電膜層、導電金屬網絡層、 金屬導電薄膜的一種。
[0012] 所述的內層圓柱殼體的外表面可以在透光導電膜層靠近染料顆粒懸浮液的一側 可以設置有對於雷射反射率大於90%的多層介質反射層和金屬反射層的一種。
[0013] 所述的染料懸浮液入口和染料懸浮液出口可以設置在光學行波光學諧振腔上不 影響光束傳播的位置上。
[0014] 所述的泵浦光入射窗口是對泵浦光束透過率大於90%的的窗口。
[0015] 所述的第一電極和第二電極之間可以施加直流電壓，也可以施加交流電壓。
[0016] 本發明裝置的工作過程為：泵浦光源出射光束經過泵浦光入射窗口入射到光學行 波光學諧振腔腔內；外層圓柱殼體和內層圓柱殼體的圓柱體對稱軸相重合，並且內層圓柱 殼體圓柱徑向半徑小於外層圓柱殼體徑向半徑，外層圓柱殼體和內層圓柱殼體之間的空腔 設置有染料顆粒懸浮液，染料顆粒懸浮液從染料懸浮液入口流入，從染料懸浮液出口流出， 染料懸浮液入口和染料懸浮液出口設置在光學行波光學諧振腔無光場射到的殼面上；泵浦 光入射窗口和雷射出射窗口設置在外層圓柱殼體上，外層圓柱殼體的外表面設置有第一電 極層，外層圓柱殼體的內表面設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過 染料懸浮液增益，產生出射雷射束；內層圓柱殼體的外表面設置有第二電極層，夕卜層圓柱殼 體外表面的第一電極層和內層圓柱殼體外表面的第二電極層之間可以施加電壓，用於調控 染料顆粒懸浮液微結構變化實現輸出光場調控。
[0017] 本發明裝置中染料分子及其使用、微流控技術、電流變液製備技術均是成熟技術。 本發明的發明點在於採用光學行波光學諧振腔，將電流變效應和光流控技術相結合，基於 染料雷射工作原理，構成電場調控雷射輸出模式的可調諧染料雷射器，提供一種具有現有 光流控雷射器現有優點，同時具有光學行波腔結構、系統簡單、小型化程度高、製備工藝簡 單、電場調控光束輸出模式、泵浦光能利用率高、使用範圍廣、光束質量好、使用靈活等特點 的電場調控的光學行波光流體染料雷射器。
[0018] 與現有技術相比，本發明的優點： 1)在先技術中系統採用光學光柵形成反饋，在三維光波導中構建光學光柵，形成分布 式反饋系統，進而形成光學諧振腔，且均為微觀結構，這樣從本質上是的系統對製備工藝要 求很高，製備雷射器的工序複雜，難度大，整個系統複雜；本發明採用光學行波光學諧振腔， 基於染料雷射工作原理，將染料雷射原理、光流控、電流變效應相結合，充分發揮為光學行 波光學諧振腔和光流控特點，提出一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，不僅具有 現有光流控雷射器現有特點，同時具有光學行波腔結構、系統簡單、小型化程度高、製備工 藝簡單等特點。
[0019] 2)在先技術中光學微結構一旦形成則無法更改，光學諧振腔結構不可調節，這樣， 導致雷射器輸出光束的模式不可調節，影響了光源使用範圍和應用靈活性；本發明中將電 流變效應和光流控技術相結合形成可調控光學諧振腔，基於染料雷射工作原理，構成電場 調控雷射輸出模式的可調諧雷射器，實現電場調控雷射輸出光束特性，更加靈活地調控輸 出雷射，所以本發明可以實現雷射束輸出模式的改變，實現高光束質量的可控輸出光束模 式，拓展了應用範圍，提高了雷射器的使用靈活性。
[0020] 3)在先技術採用線型精細度腔結構，雷射在高精細度腔內形成光學駐波，導致光 強分布不均，以及光學光柵易對雷射器產生幹擾；本發明採用光學行波光學諧振腔進行激 光光反饋，由於光學行波不存在駐波中出現的光場節點現象，行波的光場分布比較均勻，有 效地降低了雷射光場在諧振腔內對染料的影響，已經顯著降低了光場熱效應對雷射工作性 能的影響。
[0021] 4)在先技術中泵浦方式為旁軸非對稱式泵浦，泵浦光束側面照射到光增益區域， 及含有染料分子的區域，泵浦光束單次激發，光能量利用率低，泵浦效應的均勻性不高，影 響雷射器輸出光束質量；本發明採用泵浦光束耦合到光學行波光學諧振腔中進行泵浦，泵 浦光場可以在諧振腔傳播，有效地提高了泵浦光能利用率，並且由於對泵浦光束入射情況 沒有，本發明可以實現具有軸對稱式光泵浦。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022] 圖1為本發明的垂直圓柱面對稱軸的切面結構示意圖。
[0023] 圖2為本發明的沿著圓柱面對稱軸的切面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0025] 如圖1所示，一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，包括泵浦光源1和光學 行波光學諧振腔2 ;光學行波光學諧振腔2為雙層圓柱殼狀腔體，包括外層圓柱殼體201、內 層圓柱殼體202、泵浦光入射窗口 203、雷射出射窗口 204、染料懸浮液入口 205和染料懸浮 液出口 206,泵浦光源1出射光束經過泵浦光入射窗口 203入射到光學行波光學諧振腔2腔 內；外層圓柱殼體201和內層圓柱殼體202的圓柱體對稱軸相重合，並且內層圓柱殼體202 圓柱徑向半徑小於外層圓柱殼體201徑向半徑，夕卜層圓柱殼體201和內層圓柱殼體202之 間的空腔設置有染料顆粒懸浮液207,染料顆粒懸浮液207從染料懸浮液入口 205流入，從 染料懸浮液出口 206流出，染料懸浮液入口 205和染料懸浮液出口 206設置在光學行波光 學諧振腔2無光場射到的殼面上；泵浦光入射窗口 203和雷射出射窗口 204設置在外層圓 柱殼體201上，外層圓柱殼體201的外表面設置有第一電極層，外層圓柱殼體201的內表面 設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸浮液增益，產生出射激 光束；內層圓柱殼體202的外表面設置有第二電極層，外層圓柱殼體201外表面的第一電極 層和內層圓柱殼體202外表面的第二電極層之間可以施加電壓，用於調控染料顆粒懸浮液 207微結構變化實現輸出光場調控。
[0026] 本實施例中在本實施例中，泵浦光源1採用倍頻YAG雷射器出射的波長為532納 米的光束；光學行波光學諧振腔2均採用石英材料；外層圓柱殼體201為直徑6. 8毫米，厚 度為1毫米的圓柱管；內層圓柱殼體202為直徑4毫米，厚度為1毫米的圓柱管；泵浦光入 射窗口 203和雷射出射窗口 204均設置在外層圓柱殼體201上，泵浦光入射窗口 203為對 泵浦光透過率97%，對雷射反射率99%的窗口，雷射出射窗口 204為對雷射反射率為90%的 窗口；染料顆粒為羅丹明6G分子複合顆粒，染料顆粒懸浮液207為羅丹明6G分子複合顆粒 分散到絕緣油中；，染料懸浮液入口 205和染料懸浮液出口 206設置在光學行波光學諧振 腔2無光場射到的側面圓環形殼面上，外層圓柱殼體201外表面的第一電極層和內層圓柱 殼體202外表面的第二電極層為透明導電膜層，之間施加直流電壓。
[0027] 本發明裝置的工作過程為：泵浦光源1出射光束經過泵浦光入射窗口 203入射到 光學行波光學諧振腔2腔內；外層圓柱殼體201和內層圓柱殼體202的圓柱體對稱軸相重 合，並且內層圓柱殼體202圓柱徑向半徑小於外層圓柱殼體201徑向半徑，外層圓柱殼體 201和內層圓柱殼體202之間的空腔設置有染料顆粒懸浮液207,染料顆粒懸浮液207從染 料懸浮液入口 205流入，從染料懸浮液出口 206流出；泵浦光入射窗口 203和雷射出射窗 口 204設置在外層圓柱殼體201上，外層圓柱殼體201的外表面設置有第一電極層，外層圓 柱殼體201的內表面設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸 浮液增益，產生出射雷射束；內層圓柱殼體202的外表面設置有第二電極層，夕卜層圓柱殼體 201外表面的第一電極層和內層圓柱殼體202外表面的第二電極層之間可以施加電壓，用 於調控染料顆粒懸浮液207微結構變化實現輸出光場調控。本實施例成功實現了 570納米 的高質量可調控輸出，本發明不僅具有現有光流控雷射器現有優點，具有光學行波腔結構、 系統簡單、小型化程度高、製備工藝簡單、電場調控光束輸出模式、泵浦光能利用率高、使用
【權利要求】
1. 一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，包括：泵浦光源和光學行波光學諧振 腔；光學行波光學諧振腔為雙層圓柱殼狀腔體，包括外層圓柱殼體、內層圓柱殼體、泵浦光 入射窗口、雷射出射窗口、染料懸浮液入口和染料懸浮液出口，泵浦光源出射光束經過泵浦 光入射窗口入射到光學行波光學諧振腔腔內；外層圓柱殼體和內層圓柱殼體的圓柱體對稱 軸相重合，並且內層圓柱殼體圓柱徑向半徑小於外層圓柱殼體徑向半徑，外層圓柱殼體和 內層圓柱殼體之間的空腔設置有染料顆粒懸浮液，雙層圓柱殼狀腔體的一個表面設有燃料 懸浮液入口，雙層圓柱殼狀腔體的另一個表面設有燃料懸浮液出口；泵浦光入射窗口和激 光出射窗口設置在外層圓柱殼體上，外層圓柱殼體的外表面設置有第一電極層，外層圓柱 殼體的內表面設置有雷射反射層，受激輻射光場經過多次行波反射，並經過染料懸浮液增 益，產生出射雷射束；內層圓柱殼體的外表面設置有第二電極層，夕卜層圓柱殼體外表面的第 一電極和內層圓柱殼體外表面的第二電極層之間可以施加電壓，用於調控染料顆粒懸浮液 微結構變化實現輸出光場調控。
2. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的泵浦光源為氣體雷射器、半導體雷射器、固體雷射器、染料雷射器的一種。
3. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的外層圓柱殼體的外表面的第一電極層為透光導電膜層、導電金屬網絡層、金屬導電 薄膜的一種。
4. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的外層圓柱殼體的內表面的雷射反射層是對於雷射反射率大於90%的多層介質反射 層和金屬反射層的一種。
5. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的內層圓柱殼體的外表面的第二電極層為透光導電膜層、導電金屬網絡層、金屬導電 薄膜的一種。
6. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的內層圓柱殼體的外表面在透光導電膜層靠近染料顆粒懸浮液的一側設置有對於激 光反射率大於90%的多層介質反射層或金屬反射層。
7. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的染料懸浮液入口和染料懸浮液出口可以設置在光學行波光學諧振腔上不影響光束 傳播的位置上。
8. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的泵浦光入射窗口是對泵浦光束透過率大於90%的的窗口。
9. 根據權利要求1所述的一種電場調控的光學行波光流體染料雷射器，其特徵在於： 所述的第一電極和第二電極之間施加直流電壓或施加交流電壓。
【文檔編號】H01S3/10GK104104008SQ201410291314
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】高秀敏, 逯鑫淼, 李楠, 張豔林, 張宇 申請人:杭州電子科技大學