[发明专利]一种掺铥微球腔激光器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种掺铥微球腔激光器及其制备方法，属于微光学器件技术领域。由掺有铥离子的微球耦合锥形光纤组成；泵浦光源为808nm激光，用锥形光纤耦合掺铥微球；从锥形光纤的另一端输出2μm激光。利用溶胶凝胶法制备含有铥离子的溶液，再用二氧化碳激光器加热沾有溶液的通信光纤末端制备出掺有铥离子的二氧化硅微球。利用陶瓷加热器通过加热拉伸的方法获得锥区直径为1μm‑5μm锥形光纤。通过三维平台控制微球与锥形光纤耦合便得到了一种以808nm激光作为泵浦、微球作为谐振腔、铥离子作为工作物质的可以稳定输出2μm波段激光的微球激光器。本发明用已经商用的808nm激光器作为泵浦光源极大地提高了该发明的实用价值，还具有制作简单、低阈值、微型化、输出稳定的特点。

技术领域

本发明属于微光学器件技术领域，具体涉及一种掺铥微球腔激光器及其制备方法。

背景技术

激光器的发明是20世纪科学技术的一项重大成就。其理论基础是1916年爱因斯坦提出的受激辐射概念。该理论指出，当外来辐射光子的能量刚好等于处于激发态的发光原子的激发态与低能态或基态间的能量时，处于激发态的发光原子在外来辐射场的作用下，向低能态或基态跃迁时所辐射的光子的频率、位相、传播方向以及偏振状态与外来辐射光子完全相同。这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，而激光正式一种受激辐射相干光。此后，量子力学的建立和发展使人们对物质的微观结构及运动规律有了更深入的认识，对微观粒子的能级分布、跃迁和光子辐射等问题也有了更加深入的理解，爱因斯坦的受激辐射理论得到了进一步的发展和完善。20世纪40年代末，现代量子电子学诞生后，被很快应用于研究物质内部量子系统的受激发射来放大或产生相干电磁波，许多相应的器件应运而生。这些科学理论和技术的快速发展都为激光器的发明创造了条件。1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器。红宝石激光器由3能级系统构成，产生的是暗红色的694.3nm光。由于它的结构极其简单，被广泛的用在激光切割机、钻孔机上，在军事上也有广泛的应用。但是红宝石激光器的效率很低，只有0.1％。1961年A.贾文等人制成了氦氖激光器。氦氖激光器是以中性原子气体氦和氖作为工作物质的气体激光器。以连续激励方式输出连续激光。在可见光和近红外区主要有0.6328μm、3.39μm和1.15μm三条谱线，其中0.6328μm的红光最常用。氦氖激光器工作性质稳定、使用寿命比较长，因而在流速和流量测量方面，在精密计量方面得到了广泛的开发和利用。但氦氖激光器也存在一些缺点，氦氖激光器的效率较低，功率也较低，一般为几毫瓦到几百毫瓦。1962年R.N.霍耳等人制成了砷化镓半导体激光器。半导体激光器电光转化效率高、使用寿命长且可靠性较高，广泛应用于泵浦固体激光器、激光打印、材料加工和通信等领域。但是半导体激光器的激光性能受温度影响大，光束的发散角较大，所以在方向性、单色性和相干性等方面并不理想。以后，不同类型的工作物质和各种波段的激光器相继被研制出来。

随着微细加工工艺的发展，人们已经可以比较容易的制作尺度接近光波波长的微型器件，回音壁模式也得以在光波领域实现快速发展。回音壁模式是指在介质微腔中光场由于表面的全反射在满足一定的条件下在腔中形成的稳定传播模式。光在从光密介质向光疏介质传播且入射角度大于临界角时，能够在这两种介质的分界面产生全反射，当光在微腔中传播时不断地沿着腔的表面全反射便形成了光学回音壁模式。回音壁式光学微腔包括微盘、微环、液滴、微柱及微球等。回音壁模式光学微腔通过共振循环将光困于极小的空间中，光学微腔内部的能量密度大，模式体积小，制备容易，可重复性强。而且光学微腔尺寸微小，便于集成。由于以上特点，基于光学微腔器件的应用和研究成为热点。光学微腔中，微球具有极高的品质因数(可达10¹⁰)和极小的模式体积(100μm³量级)，与微环、微柱和微盘等相比，微球谐振腔的能量存储特性更好，所以用微球作为谐振腔的激光器具有极低的阈值和很高的光效率。另外，球形的谐振腔对入射光的角度要求不高，而微柱、微盘等微腔对入射光的角度有很高的要求。微球激光器的这些优点使其成为一种很有应用前景的激光器。

发明内容

本发明的目的在于提供具有极低阈值的，能够稳定输出2μm波段激光的一种掺铥微球腔激光器及其制备方法。