一種基于光流體的可調控染料激光器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于光流體的可調控染料激光器，包括泵浦光源、工作介質和諧振腔，所述泵浦光源出射光束的光軸方向依次設有圓錐面外反射鏡和所述的諧振腔；所述的諧振腔為透明柱體，并在所述諧振腔的腔體內沿所述光軸方向依次設有第一光學反射鏡、作為所述工作介質的染料分子懸浮液區域、第一液體透鏡、第二液體透鏡、氣體空腔和第二光學反射鏡；用于調控所述第一液體透鏡和所述第二液體透鏡的第一電極和第二電極；以所述光軸為中心對稱軸還設有第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡。本發明的一種基于光流體的可調控染料激光器具有輸出激光模式可控、光束質量好、靈活性強等優點。
【專利說明】—種基于光流體的可調控染料激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及光學【技術領域】領域，具體涉及一種基于光流體的可調控染料激光器，主要用于激光測量、激光加工、激光制導、激光醫學、光譜技術、光纖通訊、無線光通信、光學微操縱、光學顯微、光與物質相互作用等領域中作為激光光源。
【背景技術】
[0002]激光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。各種激光器的工作原理基本相同，產生激光的必不可少的條件是粒子數翻轉和增益大過損耗，所以裝置中必不可少的組成部分有激勵源、具有亞穩態能級的工作介質兩個部分。激勵是工作介質吸收外來能量后激發到激發態，為實現并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占主導地位，從而實現光放大。激光器中常見的組成部分還有諧振腔，它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激光的模式，所以一般激光器都具有諧振腔。目前，已經存在許多種激光器，常見的有氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導體激光器。
[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相結合，形成了新興學科光流控(Optofluidics)。在先技術中，存在基于光流控技術的染料激光光源，參見一個美國專利，美國專利名稱:Mechanically tunable elastomeric optofluidic distributedfeedback dye laser,專利號:US7，817，698，B2。該激光器具有相當的優點，但是，仍然存在一些本質不足:1)系統采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，這樣從本質上使得系統對制備工藝要求很高，制備激光器的工序復雜，難度大，整個系統復雜；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，導致激光器輸出光束的模式不可調節，影響了光源使用范圍和應用靈活性；3)在先技術中的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，影響泵浦效應的均勻性，整個受激輻射系統具有了非對稱性，影響激光器輸出光束質量，同時，泵浦光能利用率低。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述現有技術的不足，提供一種基于光流體的可調控染料激光器，具有系統構成簡潔、制備工藝簡單、諧振腔性能可調節、輸出光束模式可控、光束質量好、軸對稱式光泵浦、泵浦光能利用率高、適用范圍廣，使用靈活等特點。
[0005]一種基于光流體的可調控染料激光器，包括泵浦光源、工作介質和諧振腔，所述泵浦光源出射光束的光軸方向依次設有圓錐面外反射鏡和所述的諧振腔；所述的諧振腔為透明柱體，并在所述諧振腔的腔體內沿所述光軸方向依次設有第一光學反射鏡、作為所述工作介質的染料分子懸浮液區域、第一液體透鏡、第二液體透鏡、氣體空腔和反射率小于所述第一光學反射鏡的第二光學反射鏡；在所述諧振腔的外表面所述第一液體透鏡和所述第二液體透鏡對應的位置分別設有用于調控所述第一液體透鏡和所述第二液體透鏡的第一電極和第二電極；以所述光軸為中心對稱軸還設有第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡；其中所述第二圓錐面內反射鏡與所述的染料分子懸浮液區域在所述光軸上的對應位置相同，并且所述第二圓錐面內反射鏡具有將光束垂直于所述光軸反射至所述染料分子懸浮液區域的反射面。
[0006]上述技術方案中，基本構思為:將光流控和液體透鏡相結合形成可調控光學諧振腔，同時利用光束整形實現軸對稱光泵浦。具體方案如下:一種基于光流體的可調控染料激光器，采用光激勵方式(泵浦光源照射工作介質)激發產生激光。在泵浦光源的光束出射方向上依次設置有第一圓錐面內反射鏡、圓錐面外反射鏡以及第二圓錐面內反射鏡，其中第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡均以泵浦光源出射光束的光軸為中心對稱軸設置，并且均為中空環狀。而圓錐面外反射鏡設置在泵浦光源出射光束的光軸上，所以，依順序泵浦光源的出射光束首先入射到圓錐面外反射鏡的圓錐形反射面上，光束經圓錐面外反射鏡的圓錐形反射面反射后，光束行進方向偏離光軸，并入射至第一圓錐面內反射鏡的反射面。光束再經第一圓錐面內反射鏡的反射面反射后入射至第二圓錐面內反射鏡的反射面。因諧振腔設置設置在光軸上，且諧振腔內的染料分子懸浮液區域(工作介質)與第二圓錐面內反射鏡在光軸的對應位置相同，同時第二圓錐面內反射鏡的反射面又能保證將入射光束以垂直光軸的角度反射，所以當光束經第二錐面內反射鏡的反射面反射后將以垂直光軸的角度入射到諧振腔內的染料分子懸浮液區域，從而提高泵浦光能利用率和激光光束質量。其中，圓錐面外反射鏡、第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡的設置是為了泵浦光源出射光束經上述部件后得到垂直于光軸的匯聚激勵光源。
[0007]柱形諧振腔設置在光軸上，其內部沿光軸方向依次設有第一反射透鏡、染料分子懸浮液區域、第一液體透鏡、第二液體透鏡、氣體空腔以及第二反射透鏡，第一液體透鏡和第二液體透鏡基于電濕效應原理，分別由設置在諧振腔表面的第一電極和第二電極的透鏡控制，通過調節電極的外加電壓，來改變液體透鏡的屈光度，進而實現光束模式調控，完成高光束質量所需模式激光輸出。氣體空腔的設置是為第一液體透鏡、第二液體透鏡改變時提供足夠的空間。
[0008]所述的圓錐面外反射鏡、第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡的光束入射面與所述光軸的夾角均為45°。圓錐面外反射鏡、第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡的光束入射面與所述光軸的夾角均為45°時，泵浦光源出射光束在整個行進過程均能保持與泵浦光源光束出射方向平行或垂直。
[0009]所述的諧振腔為圓柱形。圓柱形諧振腔與經第二圓錐面反射鏡反射后形成的環狀匯聚光束相匹配，使染料分子懸浮液區域(工作介質)受光更均勻，同時圓柱形諧振腔便于加工。
[0010]所述的第一電極和第二電極為導電薄膜電極、金屬電極的一種。
[0011]所述的第一光學反射鏡和第二光學反射鏡朝向所述染料分子懸浮液區域鍍的一側鍍有多層介質膜。在第一光學反射鏡和第二光學反射鏡的內側表面設置多層介質膜可以增加激光在光學反射鏡上的反射率、減少光損失。
[0012]與現有技術相比，本發明的優點:
[0013]I)在先技術中系統采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，對制備工藝要求很高，制備激光器的工序復雜，難度大，整個系統復雜；本發明提出的激光器是利用光流控和液體透鏡相結合，諧振腔為圓柱腔體，兩個圓形端面為高反射面形成光學反饋諧振腔，系統構成簡潔、制備工藝簡單；
[0014]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，導致激光器輸出光束的模式不可調節，影響了光源使用范圍和應用靈活性；本發明基于光流體的可調控染料激光器，其中諧振腔內依次設置有染料分子懸浮液區域、兩個液體透鏡和一個氣體空腔區域，諧振腔測量設置有兩個電極用于調控腔內兩液體透鏡，從而實現光學諧振條件和激光出射模式的調節控制；
[0015]3)在先技術中泵浦光束側面照射到光增益區域，影響泵浦效應的均勻性，整個受激輻射系統具有了非對稱性，影響激光器輸出光束質量，同時，泵浦光能利用率低；本發明中入射泵浦光束依次經過圓錐面外反射鏡、兩個錐面內反射鏡形成垂直于系統對稱軸的匯聚泵浦，軸對稱式光泵浦，泵浦光能利用率高，本發明輸出光束模式可控、光束質量好，拓展了適用范圍，提高了使用靈活性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0018]圖1為本發明實施例的結構示意圖。一種基于光流體的可調控染料激光器，在泵浦光源I的光束出射方向上依次設置有第一圓錐面內反射鏡3、圓錐面外反射鏡2以及第二圓錐面內反射鏡4，且第一圓錐面內反射鏡3、圓錐面外反射鏡2以及第二圓錐面內反射鏡4的反射面與泵浦光源I出射光束的光軸夾角均為45°。泵浦光源I的出射光束光軸上設有圓錐面外反射鏡2和圓柱形石英材質諧振腔5，諧振腔5沿泵浦光源I光束出射方向依次設有第一反射透鏡501、染料分子懸浮液區域6、第一液體透鏡7、第二液體透鏡8、氣體空腔9以及第二反射透鏡504，諧振腔5的外表面上第一液體透鏡7和第二液體透鏡8的對應位置分別設有第一電極502和第二電極503。其中，第二圓錐面內反射鏡4與染料分子懸浮液區域6在泵浦光源I出射光束光軸上的對應位置相同。
[0019]在本實施例中，圓錐面外反射鏡2的底部圓面直徑為10毫米；第一圓錐面內反射鏡3和第二圓錐面內反射鏡4結構相同，厚度均為5毫米，圓錐面內徑直徑為35毫米，圓錐面外徑直徑為40毫米，第一圓錐面內反射鏡3和第二圓錐面內反射鏡4的外徑為51.8毫米。圓柱形諧振腔5殼體厚度為I毫米，第一光學反射鏡501和第二光學反射鏡504是鍍有多層介質膜的高反射膜，第一光學反射鏡501的反射率為98%，第二光學反射鏡504的反射率為94% ;染料分子懸浮液區域6為羅丹明6G分子分散到蒸餾水中，第一液體透鏡7為透明油體透鏡、第二液體透鏡8為水溶性液體透鏡，第一電極502和第二電極503均為ITO膜導電電極。泵浦光束采用倍頻YAG激光器出射的波長為532納米的光束，光束直徑為4毫米。
[0020]本發明裝置的工作過程為:YAG激光器出射光束沿光軸傳播，經過圓錐面外反射鏡2的反射形成放射狀傳播圓盤形光束，背離光軸傳播；再一次經過第一圓錐面內反射鏡3和第二圓錐面內反射鏡4的反射，形成向光軸匯聚的圓盤形光束，光束的匯聚區域為圓柱形諧振腔5的染料分子懸浮液區域6，染料分子懸浮液區域6中的羅丹明6G分子收到激發而發射熒光，熒光在圓柱形諧振腔5的腔體內從第一光學反射鏡501到第二光學反射鏡504之間進行多次反射，多次經過染料分子懸浮液區域6進行多次受激輻射，當泵浦光源I光功率大于系統損耗閾值時，系統增益大于損耗，系統有激光出射；本激光器裝置中，在圓柱形諧振腔5外側第一電極502和第二電極503之間加上電壓，進行調節第一液體透鏡7和第二液體透鏡8，進而改變了諧振腔5的光學參數及其分布，從而實現了調控出射激光束的模式，得到高光束質量的所需模式。本實施例成功實現了 570納米的高質量基模輸出，本發明具有系統構成簡潔、制備工藝簡單、諧振腔性能可調節、輸出光束模式可控、光束質量好、軸對稱光泵浦、泵浦光能利用率高等特點。
[0021]以上所述的【具體實施方式】對本發明的技術方案和有益效果進行了詳細說明，應理解的是以上所述僅為本發明的最優選實施例，并不用于限制本發明，凡在本發明的原則范圍內所做的任何修改、補充和等同替換等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于光流體的可調控染料激光器，包括泵浦光源、工作介質和諧振腔，其特征在于，所述泵浦光源出射光束的光軸方向依次設有圓錐面外反射鏡和所述的諧振腔；所述的諧振腔為透明柱體，并在所述諧振腔的腔體內沿所述光軸方向依次設有第一光學反射鏡、作為所述工作介質的染料分子懸浮液區域、第一液體透鏡、第二液體透鏡、氣體空腔和反射率小于所述第一光學反射鏡的第二光學反射鏡；在所述諧振腔的外表面所述第一液體透鏡和所述第二液體透鏡對應的位置分別設有用于調控所述第一液體透鏡和所述第二液體透鏡的第一電極和第二電極；以所述光軸為中心對稱軸還設有第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡；其中所述第二圓錐面內反射鏡與所述的染料分子懸浮液區域在所述光軸上的對應位置相同，并且所述第二圓錐面內反射鏡具有將光束垂直于所述光軸反射至所述染料分子懸浮液區域的反射面。
2.根據權利要求1所述的一種基于光流體的可調控染料激光器，其特征在于，所述的圓錐面外反射鏡、第一圓錐面內反射鏡和第二圓錐面內反射鏡的光束入射面與所述光軸的夾角均為45°。
3.根據權利要求1所述的一種基于光流體的可調控染料激光器，其特征在于，所述的諧振腔為圓柱形。
4.根據權利要求1所述的一種基于光流體的可調控染料激光器，其特征在于，所述的第一電極和第二電極為導電薄膜電極、金屬電極的一種。
5.根據權利要求1所述的一種基于光流體的可調控染料激光器，其特征在于，所述的第一光學反射鏡和第二光學反射鏡朝向所述染料分子懸浮液區域鍍的一側均鍍有多層介質膜的反射膜。
【文檔編號】H01S3/20GK103746286SQ201410010477
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2014年1月7日 優先權日:2014年1月7日
【發明者】高秀敏, 姜利平 申請人:高秀敏