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一种低阈值波导随机激光器的研制

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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 

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