固 中文核心期刊 一种低阈值波导随机激光器的研制 周富肯，张永棠 （广东东软学院计算机科学与技术系。广东佛山５２８２２５） 摘要：将聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭｂｌＡ）和有机染料罗丹明６Ｇ（Ｒ６Ｇ）的氯仿溶液虹吸到０．５ｍｍ内径的毛细管 内，待溶剂挥发后，制备成一种波导型随机激光器。将干燥后的波导型随机激光器在５３２ｎｍ的泵浦光作 用下进行实验，发射出了中心波长为６０３ｎｍ、阈值为３５０ｍＪ／ｃｍ 、半峰全宽为４．５ｎｍ和脉冲宽度为１５ｎｓ 的随机激光。该激光器易制作、阈值低的优点，为制作新型光电子设备提供了参考。 关键词：随机激光；中心波长；阈值；半峰宽；脉冲宽度 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００２．５５６１（２０１８）０２．００３５．０３ ＤＯＩ：１０．１３９２１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００２．５５６１．２０１８．０２．０１０ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ ｌａｓｅｒ ＺＨＯＵＦｕｋｅｎ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｔａｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｎｅｕｓｏｆｆ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｆｏｓｈａｎ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ ５２８２２５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｏｌｙｍａｔｈｉｃ ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ（ＰＭＭＡ）ａｎｄ ｔｈｅ ｏｒｇａｎｉｃ ｄｙｅ ｒｈｏｄａｍｉｎｅ ６Ｇ（Ｒ６Ｇ）ｉｎ ｃｈｌｏｒｏｆｏｒｍ ｗｅｒｅ ｓｉｐｈｏｎｅｄ ｉｎｔｏ ａ ０．５ｍｍ ＩＤ ｃａｐｉｌｌａｒｙ ｔｕｂｅ．Ａｆｔｅｒ ｓｏｌｖｅｎｔ ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ，ａ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｙｐｅ ｒａｎｄｏｍ ｌａｓｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｃａｎ ｅｍｉｔ ｒａｎｄｏｍ ｌａｓｅｒ ｗｉｈ ｔａ ｃｅｎｔｒａｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ ６０３ｎｍ，ａ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ ３５０ ｍＪ／ｃｍ２，ａ ｆｕ１１ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆｍａｘｉｍｕｍ ｏｆ４．５ｎｍ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｉＳ １５ｎｓ．Ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｓｉｍｐｌｅ．ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｎｅｗ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ． Ｋｅｙ ＷＯｒｄｓ：ｒａｎｄｏｍ ｌａｓｅｒ；ｃｅｎｔｅｒ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ；ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ；ｆｕＵ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ０引言 自１９６８年Ｌｅｔｏｋｈｏｖ［１］作了随机激光器的相关报道 序性来改善随机激光的属性（单色性、方向性１是目前 国外学者研究的热点课题 ２０１３年．英国阿斯顿大学 后．随机激光器就开始引起人们的广泛关注。由于谐 振腔在介质中的分布是随机的．所以存在着复杂的脉 冲特性、辐射对角度的依赖性等缺点，使得在某些检 测领域应用时必须改进其光谱特性才能挑战传统激 光器的优异性能。近年来。人们利用低维随机系统结 构ｆ如光纤）可以改善随机激光器的上述不足。２００７年 研究团队【５闸通过理论研究和实验分析了光纤中分布式 瑞利散射效应对激光纵模结构的影响．发现当抽 运光功率和光纤长度达到一定要求时．激光器中的 腔镜ｆ光纤光栅）将失去反馈作用。２０１５年，Ｔｕｒｉｔｓｙｎ等 人同利用光纤中的瑞利散射效应作为反馈机制．成功 实现了激光的输出．并首次将其命名为随机分布反馈 Ｈｏｔｎｇ等人ｌ２卅研制了第一台光纤随机激光器，通过在 光子带隙光纤的纤芯中填充ＴＷ２纳米颗粒．在侧面泵 浦光子带隙光纤情况下．成功实现了一维随机激光输 光纤激光器。该激光器能提供空间不相干的、无模式 竞争的连续激光输出，但它具有阈值功率高、转化效 率低、输出功率低和光纤长度太长等缺点。目前，国内 尚未见相关报道 出．在一定程度上确保了激光光束的方向性。但是。该 方法技术难度大，不容易实现。利用光纤中的本征无 收稿日期：２０１７—０９—２８。 基金项目：国家自然科学基金（６１３６３０４７）资助；佛山市科技创新项目 （２０１６ＡＧ１００７９２）资助。 为了弥补上述随机激光器的不足．本文采用虹吸 方法．制作了一种光纤随机激光器。 １实验制备 本文选取聚甲基丙烯酸甲酯（ＰＭＭＡ）和有机染料 作者简介：周富肯（１９８０一），男，硕士，讲师，主要从事网络通信与信息系 统方面的教学和研究。 罗丹明６Ｇ（Ｒ６Ｇ），以氯仿为溶剂。将一定量的ＰＭＭＡ ２０１８年第２期兜缉 客李蠹．岳③ 固 和Ｒ６Ｇ分别溶解于氯仿溶剂中．制得浓度分别为 ｌＯＯｍｇ／ｍＬ和５ｍｇ／ｍＬ的溶液．将二者按照体积比ｌ：ｌ 混合．并超声振荡３０分钟，得到混合溶液。将内径为 ０．５ｒａｍ的毛细管一端浸入混合溶液．虹吸效应使样品 溶液被自动吸入毛细管中 将吸有溶液的毛细管置于 干燥通风处．待有机溶剂挥发后，即可得到实验样品。 ● 光．使用功率计对其中一束泵浦光进行测量。另一束 光经过凸透镜进行汇聚。在透镜焦点后方放置一块有 小孑Ｌ的黑纸片．用于消除多余泵浦光的影响．使光束 透过小孔后到达毛细管内激发样品，产生随机激光。 ● ● ● 出射的随机激光被● Ｍａｙａ ２０００ ＰＲＯ光谱仪【９】光纤探头 以观测到出射的随机激光．记录得到的随机激光出射 ●● ●● 接收，光纤探头与毛细管水平位置夹角为３Ｏｏ，此时可 光谱 ● ● ●● ● ● ２结果分析 我们将制得的实验样品置于Ｌｅｉｃａ ＤＭ３００ ＬＥＤ 光学显微镜下观测．得到如图， 示的图像。 ●● ●在该随机激光器的 ● ． 增益介质中．染料Ｒ６Ｇ ． 颗粒的尺寸能够达到光 一． 子波长量级．颗粒与颗 ，、、 ．． 粒间距足够小．也由于 随机增益介质中存在光 （ａ）未经下燥处理过的样品 （ｂ）经：ｆ＝燥处理后的样品 ／ＰＭＭＡ 图３随机激光出射原理 的干涉效应．进而形成光子局域化。使得光子在增益 介质中沿着闭合的环路传播 这些闭合环提供非相干 反馈．类似于一个光学环形腔，如图３所示。在这些光 学环形腔中，光子发生多次散射，能量不断增大。散射 光子的数目也会不断加大 当光子的增益强于其损耗 （Ｃ）样品 构 时。产生随机激光。 图１光学显微镜下的实验样品及样品结构 为了进一步探究随机激光特性．图４（ａ）给出了出 射随机激光强度随泵浦能量的变化关系．图４（ｂ）为半 图ｌ（ａ）为未经干燥处理过的样品图像．由于液体 表面张力的原因．虹吸入毛细管内的溶液液面凹陷。 呈现弧面．弧面左侧部分为吸人液态后的样品图像． 弧面右侧部分为未吸入液态的０．５ｍｍ的毛细管在 Ｌｅｉｃａ ＤＭ３００ ＬＥＤ光学显微镜下的图像。图１（ｂ）为经 《 过干燥处理后的样品图像．经干燥处理后．该弧面并 未消失．并且弧面左侧样品经干燥处理后颜色加深． 弧面右侧为氯仿溶剂挥发后残留在０．５ｍｍ毛细管内 蹬 《 壁的溶质。图ｌ（ｃ）为样品的结构示意图。混合溶液经 过超声振荡后．ＰＭＭＡ和Ｒ６Ｇ分子均匀分布在溶液 中，被虹吸入毛细管中，待有机溶剂挥发后。Ｒ６Ｇ分子 均匀分散在ＰＭＭＡ圆柱内 将干燥后的样品置于待测实验台上 实验台装置 如图２所示．泵浦源为Ｎｄ：ＹＡＧ激光器Ｉｓ１．输出波长为 波长（ｎｍ） （ａ）随机激光强度与泵浦能量密度之间关系 ５３２ｎｍ，脉冲宽度为３０ｎｓ．重复频率为１ＯＨｚ，单脉冲能 量为１０ｍＪ 泵浦光经过衰减片到达分束器后分为两束 《 嘏 籁 能量密度（“ｌＪ／ｃｍ：） （ｂ）随机激光强度、半峰全宽与泵浦能量密度关系 图２实验测试示意圈 图４随机激光特性光谱 圆记氢信筏采２０１ ８‘｝ ２期—— 圃 周富肯，张永棠：一种低阔值波导随机激光器的研制 峰全宽、出射随机激光强度与泵浦能量密度之间的关 系曲线 出射随机激光的出射强度随泵浦能量增大而 果：出射随机激光的脉冲宽度约为１５ｎｓ．泵浦光ＹＡＧ 激光器输出５３２ｎｍ的脉冲宽度为３０ｎｓ。 增大。当泵浦能量低于阈值（３５０ｍＪ／ｃｍ￣）时，样品的发 射光谱为放大自发辐射（Ａｍｐｌｉｉｆｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅ０ｕｓ Ｅｍｉｓ． ｓｉｏｎ，ＡＳＥ） Ｏｌ。当泵浦能量增加至３５０ｍＪ／ｃｍ２时。出射光 在原有ＡＳＥ位￣（６０３ｎｍ）处。出现一条窄而细的尖峰． 此尖峰即为随机激光．但此时的出射随机激光强度较 ３结束语 本文通过将ＰＭＭＡ和Ｒ６Ｇ溶于氯仿溶液制得的 混合溶液虹吸至内径为０．５ｒａｍ的毛细管中．有机溶剂 挥发后得到了光纤染料随机激光器 以Ｎｄ：ＹＡＧ激光 低。随着泵浦能量密度的不断增加．随机激光强度也 不断增加。如图４（ｂ）所示，在阈值前后。出射随机激光 的半峰全宽迅速降至４．５ｎｍ：出射随机激光强度统计 值和斜率发生明显变化，表明随机激光的产生。 为了进一步得到随机激光器的脉冲宽度参数．本 文选用的实验仪器为光电倍增管（ＥＴ Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅｓ ＱＬ３０１９／ＲＦＩ）［“】和数字示波器（Ｔｅｋ￣ｏｎｉｘ ＤＰＯ４０５４）ｏ２］。 器作为泵浦源，泵浦光光子进人到样品中。激发Ｒ６Ｇ 分子发射荧光，荧光在样品内形成光学环形腔。形成 干涉。能量不断增加，进而达到出射阈值，出射随机激 光。通过测量发现．出射随机激光的中心波长为 ６０３ｎｍ、半峰全宽约为４．５ｎｍ、阈值为３５０ｍＪ／ｃｍ２。我们 还对该出射光脉冲宽度进行了测量．约为１５ｎｓ。此随 机激光器具有制备方法简单、阈值低的优点，为随机 激光的应用提供了参数 参考文献： 【１】ＬＥＴＯＫＨＯＶ Ｖ Ｓ．Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ ａ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｍｅｄｉｕｍ ｔＩｌ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｓｏｖｉｅｔ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ＆Ｔｈｅ— ｏｒｅｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ，１９６８，２（６）：８３５—８４０． 实验装置如图５所示．光电倍增管采用高压电源供 电，将采集到的光信号转化为电信号，并将电信号放 大．随后传输给数字示波器．由数字示波器将接收的 电信号记录下来 ［２】ＨＯＲＮＧ Ｃ Ｔ，ＭＡ Ｃ Ｌ＇ＬＥＥ Ｃ ｅｔ ａ１．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ａｎｄ Ｔｈｅｒｍａｌｌｙ Ｃｏｎ— ｔｒｏｌｌａｂｌｅ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ Ｒａｎｄｏｍ Ｌａｓｅｒ ｉｎ ａ Ｗｅｌｌ－Ａｌｉｇｎｅｄ Ｄｙｅ Ｄｏｐｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｃｅｌｌ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１５，１０（５）：１４６９—１４８１． 【３】ＣＡＯ Ｈ，ＲＥＤＤＩＮＧ Ｂ，ＣＨＯＭＡ Ｍ Ａ．Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｏｆＲａｎ－ ｄｏｍ Ｌａｓｅｒｓ．Ｅｕｒ０ｐｅａＩＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ【Ｊ】．２０１４，１２ （２）：１－２． 图５随机激光器的脉宽测■装置示意图 【４】ＲＥＤＤＩＮＧ Ｂ，ＣＨＯＭＡ Ｍ Ａ．Ｓｐｅｃｋｌｅ－Ｆｒｅｅ Ｌａｓｅｒ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｕｓｉｎｇ Ｒａｎ— ｄｏｒａ Ｌａｓｅｒ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１２，９ｏ（６）：３５５－３５９． 图６所示为泵浦光脉冲和出射随机激光的时间 特性图 ＹＡＧ激光器输出５３２ｎｍ的泵浦光．泵浦光光 子在无序增益介质中形成闭合回路．从而形成多重散 射，产生光放大效果。进而形成随机激光。一般而言， 【５】ＰＯＬＳＯＮ Ｒ Ｃ，ＶＡＲＤＥＮＹ Ｚ Ｖ．Ｒａｎｄｏｍ Ｌａｓｉｎｇ ｉｎ Ｈｕｍａｎ Ｔｉｓｓｕｅｓ【Ｊ】． Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００４，８５（１）：１２８９—１２９１． ［６１ ＹＵＲＬＯＶ Ｖ，ＬＡＰＣＨＵＫ Ａ，ＹＵＮ Ｓ，ｅｔ ａ１．Ｓｐｅｃｋｌｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＬａＳｅｒＤｉｓｐｌａｙ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，２００８，４７（１０）：１７９—１８７． 【７】ＷＡＮＧ Ｃｈｅｎ，ＤＥＮＧ Ｌｍｇｎｉ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｌａｓｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅｓ ｔｌｌ Ｓｉｌｖｅｒ Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ Ｎｅｍａｔｉｃ 随机激光的脉冲宽度受增益介质荧光寿命的影响．即 与Ｒ６Ｇ分子跃迁时间有关 本文经多次测量得出结 ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｓ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｅｒｓ，２０１５，１ｌ（８）：１１１２一ｌ１２０． 【８】张永棠，冼敏仪．中红外２１ｚｍ Ｔｌｍ：ＹＬＦ激光热效应分析ｆＪ】．激光与红 外，２０１７，４７（７）：８１３—８１６． 【９】ＳＨＡＮＧ Ｚｂｅｎ．ＲＡＮＤＯＭ Ｌａｓｉｎｇ Ａｓｓｉｓｔｅｄ ｂｙ ＣｕＳＯ４ ａｎｄ Ａｕ Ｎａｎｏｐａｒ－ ｔｉｔｌｅｓ ｉｎ Ｒａｎｄｏｍ Ｇａｉｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ【Ｊ】．Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０１５，２７（７）： ｌ８４８一ｌ８５７． 【１０】ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇｔａｎｇ．Ｅｒｂｉｍ－Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｕｂｅｒ Ｌａｓｅｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ Ｎｏｉｓｅ－ ｌｉｋｅ Ｓｑｕａｒｅ Ｗａｖｅ Ｐｕｌｓｅ【Ｊ】．Ａｃｔａ Ｐｈｏｔｏｎｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１７，４６（６）：１６４—１６８． ［Ｉ１】ＥＬＤＡＲＤＩＲＹ Ｒ Ｇ，ＬＡＧＥＮＤＩＪＫ Ａ．Ｔｕｎｉｎｇ Ｒａｎｄｏｍ Ｌａｓｅｒｓ ｂｙ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｃｌ￣ｉ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ ｅｔＬｅｒｓ，２０１ １，９８（３）：１８—１９． 【１２】ＺＨＡＩ ＴＩＮＧＲＵ．Ａ Ｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ｌａｓｅｒ Ｔｕｎａｂｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｓｔｒｅｔｃｈ－ 跃迁时间（ｎｓ 图６泵浦光和随机激光的时间特性光谱 ｉｎｇ Ｓｉｌｖｅｒ Ｎａｎｏｗｉｒｅｓ Ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎ ａ Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ［Ｊ】．Ｎａｎｏｓｃａｌｅ， ２０１５，３３（７）：２２３５—２２４０． ２０１８年第２期．允氢镭故书⑤
