基于瓶子微腔的单模激光元件、其制备方法以及其应用

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单模激光由于其高光束质量以及光谱纯度,在各学科和技术应用中至关重要。回音壁(WGM)微谐振腔由于其高品质因子和小模式体积的特点受到越来越多的关注,不同形状和材料制造的回音壁微腔在激光、传感和光通信等领域得到广泛研究。但由于缺乏模式选择策略,在WGM腔中产生的激光通常是多模的。近年来,扁长的瓶子形微腔(bottle microresonator)得到广泛关注,典型应用如光延迟线,腔体光力学和光频梳等。与其他形状的WGM腔相比(例如微盘和微球),其独特点在于其中不同模式的能量场会沿其长轴方向的空间分离距离很大,这使得可以根据其轴向模式分布选择一种所需的激光模式,从而抑制所有其它激光模式。本文首先介绍了回音壁模式光学微腔的起源与发展,以及WGM单模激光的研究现状;然后介绍了简单、廉价和高效的瓶子形微腔制备方法;最后我们提出并研究了两种不同的泵浦方式用于实现瓶子形微腔的单模激光:(1)基于空间光干涉调制激发的聚合物瓶子形微腔单模激光。首先利用高分子材料制备出瓶子微谐振腔,使用空间泵浦光干涉来产生周期性的空间强度分布,通过调节干涉条纹间隔及其空间位置,进而调制瓶子微腔的空间增益曲线而获得单个谐振模式的激发。实验表明当干涉条纹与瓶子微腔的单个模式能量场强度分布空间高度重叠时,可以有效地实现微腔体激光模式选择和单模激光。获得了超过20dB的高边模抑制因子的单模激光输出,且激光阈值大大降低。(2)基于微光纤损耗调制激发的聚合物瓶子形微腔单模激光。在瓶子微型谐振腔的长轴方向上,高度非退化的WGM在空间上很好地分离,并且通过光纤探针耦合泵浦的方法可以大大损耗掉耦合位置的荧光,这两者为实现瓶子微腔激光模式的选择提供了可能。文章中,我们展示了一种简单有效的方法,即使用拉锥后的光纤探针进行耦合泵浦,实现了聚合物瓶子微型谐振腔的单模激光。单模激光输出和激光模式的选择可以通过改变光纤探针在瓶子微腔轴向上的耦合位置来实现,其中由于光纤探针在耦合位置对光致发光引起过大的散射损耗,从而抑制了部分激光模式。此外,通过拉伸瓶子轴线可实现超过8nm范围的单模激光波长调谐。这两种实现瓶子形微腔单模激光的方法不需要复杂的制备流程和昂贵的组件,在可调谐单模激光和非线性光学传感等一系列领域潜在诸多应用。
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