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磨灭波鼓励及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光

发表时间: 2019-07-22

  第34卷第7期 2007年7月 中 国 激 光 V01.34,No.7 CHINESE JOURNAL OF LASERS July,2007 文章编号:0258—7025(2007)07—0920—04 磨灭波激励及增益耦合的柱形微腔 回音廊模激光辐射 江 楠,林,普小云。 (云南大学物理系,云南昆明650091) 摘要毛细管的折射率比溶液的折射率高,石英毛细管正在被插入的溶液中构成圆柱形微腔。采用近轴向磨灭波抽 运的方式,使激光的染料增益局限于抽运光正在染料区的磨灭场范畴内,极大地提高了磨灭波耦合柱形微腔的抽运 效率。取侧向抽运体例比力,柱形微腔回音廊模(WGM)激光的抽运阈值从200“降低到9.5Ⅳ。尝试所获得的激 光谱线波长以及相邻谱线的波数间隔取回音廊模式的理论计较吻合,申明石英毛细管能获得取石英光纤雷同的柱 形微腔回音廊模激光辐射。 环节词 激光手艺;光学柱形微腔;回音廊模;磨灭波激励;阈值抽运能量 243;TN 248.3+3 中图分类号TN 文献标识码A Whispering-Gallery—Mode Laser of Evanescent Wave Exciting and Coupling Dye Gain in Cylindrical JIANG Microcavity Nan,WANG Dong—lin,PU Xiao—yun (Department of Physics,Yunnan University,Kunming,Yunnan 650091,China) Abstract A cylindrical microcavity was made lower than 7 by immersing a silica capillary in a solution of rhodamine 6G whose was observed a refractive index is capillary S.Whispering-gallery-mode(WGM)laser to in the cylindrical evanescent microcavity by wave,the evanescent wave exciting and coupling dye gain.Due dye gain was excited by pumping gain was limited around the cylindrical microcavity closely,and the pumping efficiency was then tO improved a greatly.The pumping threshold for laser emission was reduced evanescent 9.5讨in this method compared with value of 200时in a method of only wave coupling dye matched very gain.Wave number intervals of whispering—gallery-modes of structural resonances between measured and theoretic values well.The calculated positions very of whispering—gallery-modes matched the experimental results replaced by silica capillary Key words threshold as well too.All those indicated when silica fiber was cylindrical microcavity,the same whispering—gallery-mode could also be obtained. laser technique;optics cylindrical energy microcavity;whispering—gallery-modes;evanescent wave exciting; 1 引 言 腔,并将此柱形微腔插入含有激光染料溶液的毛细 管中实现了腔体和增益介质的分手。Moon等采用 保守球形和柱形微腔激光器的腔体本身就是增 益介质‘卜“。增益介质和腔体合二为一晦气于腔体 的不变性,晦气于将统一腔体使用到分歧的增益介 质上。增益介质和腔体的分手是处理这些问题的一 条主要路子。Moon等‘5 ̄81用石英纤维形成柱形微 收稿日期:2006—10—09;收到点窜稿日期:2007—02—06 了侧向光抽运体例,微腔回音廊模(WGM)正在磨灭 波区域外的染料枉然损耗抽运光能量,添加了 发生微腔激光的抽运阈值。为了降低抽运阈值,采 用近轴向磨灭波抽运体例。因为毛细管的折射率高 基金项目:国度天然科学基金(10564005)和云南省使用根本研究基金(2006A0001M)赞帮项目。 做者简介:江楠(1977一),男,云南昆明人,,理学硕士,次要处置光电子及激光光谱方面的研究。 E—mail:jiangnan@ynu.edu.cn *通信联系入。E-mail:xypu@163.tom 万 方数据 7期 江楠等:磨灭波激励及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光辐射 921 于染料溶液的折射率,将石英毛细管浸入染料溶液 中,毛细管形成柱形微腔。抽运光从近轴向以全反 射体例进入石英毛细管管壁,抽运光的磨灭场正在染 料区激发发生激光增益。激光增益以磨灭波耦合方 式进入毛细管管壁中,并正在柱形微腔回音廊模式的 支撑下构成激光振荡。采用磨灭波抽运体例,染料 增益局限于抽运光正在染料区的磨灭场范畴内,极大 地提高了抽运效率,并显著地降低了发生微腔激光 的抽运阈值。 激辐射放大,构成沿毛细管外壁侧向辐射的回音廊 模激光。辐射光经透镜组L。(焦距别离为8 7.5 cm, cm)会聚后进入加强型ICCD光谱采集系统S (ICCD:PI—MAX;光栅光谱仪:Spectrapro 500i,美 国Roper公司出产)的进光狭缝口。尝试采集到的 光谱,均为单个激光脉冲激励下获得的光谱。 2 尝试放置 尝试安拆如图1所示。用倍频YAG激光器 (镭宝公司出产,脉宽为7 ns)波长为532 rim的 脉冲激光做为抽运光。抽运光经一线偏振片P, (MELLES GRIOT制制)起偏后,经全反镜M反 射,再颠末另一线偏振片P。,P。的偏振标的目的平行于 光学平台。扭转P,的偏振标的目的,获得需要的抽运能 量。正在光中放置分束镜B,以便由激光能量计E (MELLES GRIOT制制,型号为13PEM001)测出 Fig.1 P:line—polarimeter;朋:full reflect mirror; B:beam splitter;E:energy meter;L.:coupling lens; C:silica capillary;G:glass tube;£.!assembling lens; S:spectrum collection system 。 图1尝试系统设置 Schematic diagram of the evanescent—wave pumped cylindrical microcavity laser 立即抽运能量。抽运光由一块焦距为15 cm透镜L, 会聚,会聚光线取石英毛细管c轴线标的目的存正在一个 最佳抽运角度≠,约为5。。偏离此最佳抽运角度会 降低激光的抽运效率。会聚后的抽运光线以此角度 耦合进人端面位于L,焦平面处的石英毛细管的管 壁中。考虑到抽运光进入毛细管管壁中当前,光束 中的某些部门并不克不及正在毛细管外概况内侧以全反射 体例向前,这部门光线会透射出毛细管外部。 为了染料增益为抽运光的磨灭场激发,正在毛细 管外面套了两段内径为3.3 mrn的玻璃细管G,前面 一段长度为4 cm,后面一段长度为12 cm。前面一段 毛细管和玻璃管之间充满了阐发纯乙二醇溶液,用 于透射出毛细管中的非全反射抽运光。正在后面一段 毛细管和玻璃管之间充满了浓度为2×10q mol/L 的诺丹明6G乙二醇溶液。两段溶液的折射率正在 530~630 nm的波长范畴内约为1.43,低于石英毛 3尝试成果及阐发 抽运能量较低时,只能正在石英毛细管外的染料 区察看到暗红色的荧光辐射。能量添加到必然的数 值时,染料区的端口处沿石英毛细管的边缘呈现炫 目标。用沿垂曲于毛细管轴线的标的目的不雅 察,的强度最大;偏离毛细管的垂向后,强度急 剧削弱,沿毛细管轴向不克不及察看到此。可见,炫 目标具有柱形微腔回音廊模激光的标的目的性辐射 特征。 为了较为精确地丈量近轴向抽运前提下的激光 抽运阈值,将YAG激光的输出固定正在0.5 mJ,连结 图1中P。的偏振标的目的为程度标的目的,改变P。的偏振 方历来改变两个偏振片之间的夹角,以获得分歧的 抽运能量。同时采用外曲径为328,um的毛细管做 为柱形微腔。图2所示为波长为593.43 nil3.的回音 廊模激光强度随抽运能量变化的曲线。由此曲线确 定的激光抽运阈值能量为9.5,uJ。对比Moon等采 用侧面抽运体例所丈量到的阈值抽运能量为 200 细管的折射率1.452。如图1设置,可确保位于染料 中毛细管内的抽运激光以全反射体例沿毛细管的轴 线标的目的向前,从而实现以抽运激光的磨灭场来 激发染料介质增益的设想。当抽运激光达到染料所 处的管壁时,其正在染料溶液中的磨灭场激发产 生激光的增益,毛细管内波利益于该增益波长范畴 内的回音廊模的磨灭场再将此激光增益耦合进人毛 细管内,使得染料荧光正在回音廊模的支撑下获得受 r,J凹],明显,能够大大降低激光发生的阈值能 量。 跟着抽运能量的添加,毛细管管壁外边缘沿轴 线标的目的呈现炫目标长度也正在不竭添加。当抽运 能量为15.3一时,毛细管中炫目标长度L一 万 方数据 中 国 激 光 3中的(a),(b),(c),(d),(e)五组谱线弘m的 五个毛细管柱形微腔中的回音廊模光谱。能够看 到,跟着柱形微腔曲径的变小,统一组谱线中相邻回 音廊模式的波数间隔增大。通过丈量,获得(a), 一.:.锥,)\≯皇∞《∞¨岛_r (b),(c),(d),(e)五组谱线相邻回音廊模式的平均 ∞加∞鼢∞ 加。加 4 5 6 17 S 9 10 11 波数间隔别离为6.586 cm~,7.053 cml。, 7.660 cm一1,8.879 cm一1,10.111 cm一1。 Pump energy/gJ 采用回音廊模波数间隔的一级近似公式o] 图2波长为593.43 nm的回音廊模激光强度随 抽运能量变化的曲线 Pumping curve 舢一志, 1 (1) for a laser line of 计较了柱形微腔回音廊模相邻模式的波数间距。 (1)式中优。和D别离为柱形微腔的折射率和曲径。 取仇。一1.452,D为石英毛细管的外径,据(1)式计 wavelength 593.43 nm 40 mm;能量为48.6不时,长度L一92 mm;能量为 算出五种外径尺寸下回音廊模的相邻模式的波数间 隔别离为6.684 cm~,7.118 cm一。,7.612 cm~, 119.7不时,长度跨越120 mm。正在119.7 u的能量 抽运下,采用Moon等的侧向抽运体例口],没有看到 回音廊模激光。尝试成果表白,采用近轴向抽运方 式可以或许更无效地操纵抽运光的能量,使微腔回音廊 模激光的抽运阈值能量降低。 尝试中所用的毛细管原始尺寸为:外曲径 328弘m,内曲径113 p-m。将位于染料段的毛细管浸 入低浓度的HF溶液中,通过侵蚀的方式将该区域 的毛细管外曲径尺寸不竭变小,获得了别的四种外 径尺寸的毛细管。采集了五种外径尺寸的毛细管正在 不异波数范畴16940~16765 cm_1(波长范畴590~ 596.5 8.911 cm~,10.390 C1TI一,取尝试中丈量出的谱线 峰值的平均波数间隔值很接近。了正在毛细管管 壁外部边缘处所看到的炫目为柱形微腔回音廊 模激光,同时也申明,染料的激光增益通过毛细管中 沿轴线标的目的的抽运光的磨灭场激发,并通过柱 形微腔回音廊模正在染料区的磨灭场耦合到了微腔 中,并正在柱形微腔回音廊模支撑下构成了受激辐射 光的放大。 用石英毛细管替代石英光纤来做为柱形微腔。 设D为毛细管的外壁曲径,优为全反射临界角。当毛 细管的内壁半径r<(Dsin0。),/2时,对于回音廊模 式,空心毛细管和实心纤维有不异的传光结果[7]。取 D一328_um,sin0。一1.43/I.452—0.985,那么r 应小于161.5 p.m。利用的毛细管内壁半径为 56.5 nm)内微腔回音廊模的光谱图(见图3)。图 一I-Av p.m,满脚以上前提。使用Lain等确定回音廊 模共振峰的解析近似公式凹3 mszn.z一以-t-2—173口fnl73一 _——F—兰!—:—_订了+享姜2—2/3n…“ (m2—1)1 /一3/l—n} 10。 型鎏客掣舭一z门+o(/,/- 1/ 2 (m2—1)3 2 …“ l—、 ”… ),(2) 此中 f 16940 1 m TM wave 6890 16840 16790 P一{1/m TE wave’ Wave number/cm一1 标定了激光谱线的模式归属。m。和m别离为圆柱腔 的绝对和取液体介质的相半数射率,a,为艾里函数 的根,共振峰由p(偏振态),竹(角模式数)和z(径向 模式数)三个指数配合标定。(2)式中,z“一 图3回音廊模激光波数间隔随毛细管曲径变化的比力 Fig.3 Comparisons of wave number intervals of different cavity diameter 万 方数据 7期 江楠等:磨灭波激励及增益耦合的柱形微腔回音廊模激光辐射 923 7tD/A州为回音廊模共振峰,A州为共振波长。 图4是外曲径为328 Frn的毛细管中的回音廊模光 谱。尝试确定,当抽运光为程度偏振标的目的的线所示的近轴向抽运体例下,柱形微腔 回音廊模激光为TM光波,即光矢量振动标的目的沿腔 轴线的一阶回音廊模的共振峰位 置,z。.。的尝试值取(2)式计较的理论值尺度误差[10] 仅为0.03377。而对于l一2和3的回音廊模共振峰 ,尝试值取理论值的尺度误差都要比l一1的大 一个数量级。成果表白,所采集到的光谱为一阶回 隔,取回音廊模的理论计较值吻合。按照柱形微腔 回音廊模共振峰公式,对采集的光谱进行了成 功的模式标定。 参 1 Kerry 考 文 献 J.Vahala.Optical microcavities[J].Nature,2003, Capasso,E.E.Narimanov et 424:839~846 2 Claire Gmachl,Federico a1.. 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