具有宽调谐、低阈值、可集成特性的固态微腔染料激光介质及其制备工艺研究

发布时间：2020-02-02 01:00

【摘要】：固态微腔染料激光器具有结构紧凑、低阈值、宽波长输出以及可集成等特点,因而是一种很有前景的可应用于集成光路(PIC)的激光器。然而在现阶段,将固态微腔染料激光器真正应用于PIC仍然存在一些问题。首先,固态微腔染料激光器的调谐困难,这是因为微腔激光器的集成工艺复杂,而且缺少简易的改变腔长以及介质层折射率的手段。其次,虽然双光子泵浦具有高泵浦能量、更经济等优点,但是双光子染料在固态介质中的溶解性较差,因而难以获得低阈值的激光输出。最后,比较缺乏可靠而且低成本的微腔激光器的集成手段。为了解决这些问题,本文首先采用染料掺杂的柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜作为垂直腔面发射激光器(VCSEL)的激光介质,使用压应力调谐等方式实现可调谐的微腔激光输出,并研究了PDMS作为激光介质时VCSEL的激光寿命和自修复特性。另外,本文采用了离子凝胶作为双光子染料掺杂的基质,提高了染料的溶解度并制备出低阈值的双光子泵浦激光输出。除此之外,本文采用喷墨打印技术对激光介质的进行了集成。采用染料掺杂PDMS作为VCSEL激光介质,通过更换掺杂染料、更换分布式布拉格反射镜(DBR)、以及调整压应力的方式,获得了宽调谐范围的单模激光输出；其中,使用不同的DBR时,吡咯甲叉597-8C9 (PM597-8C9)掺杂VCSEL的调谐范围达到91.6 nm(598.2-690.2 nnm)。吡咯甲叉597(PM597)和PM597-8C9掺杂的VCSEL在1.2×105个脉冲后仍然没有出现能量的衰减。采用离子凝胶作为激光介质,显著改善了双光子染料的溶解性问题,制备出基于双光子泵浦的VCSEL,其阈值达到5.39μJ,能量密度为～63mJ/cm2,这是迄今报道的双光子微腔激光的最低阈值之一。用超支化聚合物(HBP)作为基质,通过喷墨打印法制备出了可集成的VCSEL和分布式反馈(DFB)激光,获得了集成的固态微腔激光输出。其中打印的VCSEL激光阈值最低可以达到～77.5 nJ,斜坡效率为40.2%。
【图文】：

示意图,工作原理,示意图,激光输出

ＤＦＢ输出激光波长满足Ｗ下公式ＵＵ；逡逑２Ａ／７邋ｆ逡逑—坚逦片１）逡逑ｍ逡逑其中八表示光栅周期，《ｇ＾表示波导在波长为斗。Ｗ处的有效折射率，由／ｉ＾ｇ、薄朦厚逡逑度、Ｗ及介质的折射率差值共同决定，Ｍ是敌射布拉格级数。从式１．１可レNB看出，可通逡逑过调整光栅周期Ａ、介质层厚度或者折射率差值获得可调谐的激光输出。逡逑Ｓ．邋Ｋｌｉｎｋｈａｍｍｅｒ和Ｔ．邋Ｗｏｇｇｏｎ等ｆｉ２ｌ采用了邋Ａｋ［３：ＤＣＭ模形薄膜作为激光介质，得到了逡逑调谐范西达到３６ｎｍ（６２１邋－６５７ｎｍ）的单模式激光输出；化Ｈｅｕｓｓｎｅｒ等通过在介质中引逡逑入液晶，能够在不改变样品时通过改变外接电压来获得可调谐的激光输出，调谐范围为４逡逑ｎｍ（６２０－６２４ｎｍ）；这两种可调谐ＤＦＢ激光的示意图如图１．３所示。逡逑

示意图,随机激光,结构示意图,示意图

虽然还可Ｗ通过更换使用不同周期的光栅，多种光栅周期的全息聚浦等方法实现逡逑４，８５］，但这两种方法难Ｗ实现连续调谐，，而且操作繁琐，往往需要不断在使用时更逡逑，难实现直接的调谐。逡逑机激光（Ｒａｎｄｏｍ邋Ｌａｓｅｒ）的现象是Ｌｅｔｏｋｈｏｖ在１９６８年首次提出的Ｗ，相比其它微腔逡逑言，随机激光最大的特点就是没有传统意义上的谐振腔，其巧成增益的示意图如逡逑所示，是通过介质中的随机粒子间的多重散射从而实现光子禁铜，从而巧到类似谐逡逑的效果。虽然散射被认为是损耗的重要来源，但是Ｌｅｔｏｋｈｏｖ提出，光子在散射粒子逡逑的自由行走（ＲａｎｄｏｍＷａｌｋ）化会形成反馈和增益，而这两种情况的平衡关系决定了随逡逑化的阀值条件和临界体积。他给出了在假定介质体积为边长为Ｉ的立方体的情况下，逡逑光的临界体积条件：逡逑３化丫。逡逑＾ｃｒ＝Ｌ＾＝＼Ｙｊ逦。．２）逡逑中，／，和／ｇ分别表示散射介质中的光子传输平均自由程和增益自由程。逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN248

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