[发明专利]一种级联泵浦的微腔激光器

说明书

本发明公开了一种级联泵浦的微腔激光器。本发明包括泵浦光源，两端带有尾纤的光纤锥结构，复合增益介质微腔；本发明在微腔中分布N种不同的增益介质，使得第N‑1种增益介质产生的激光是第N种增益介质的泵浦源，最终能够输出实现低噪声、窄线宽和毫瓦量级的输出激光功率。本发明采用级联泵浦的方案，能有效降低微腔内的热噪声，实现性能改良。现有的小尺寸、高集成的微型激光器受限于腔内热负荷严重，工作性能较常规激光器有很大差距。本发明的这种结构的微腔激光器尺寸小，易于集成化，性能出色，对未来集成光学的发展有重要意义。

技术领域

本发明涉及到激光技术领域，尤其是一种级联泵浦的微腔激光器。

背景技术

激光具有高方向性，高单色性，高能量密度等优点，被广泛应用于信息领域、工业领域、生物医学领域、国防科技领域和科学技术前沿中。目前，常规尺寸的激光器已经发展的比较成熟，能够有效实现低噪声、窄线宽和高输出功率的优点。随着器件的微型化的迅速发展，小尺寸、高集成的微型激光器已经成为新的研究热点。如何在缩小尺寸的情况下仍然获得高质量的输出激光光束成为一个新的挑战。

利用回音壁模式微腔产生激光是实现微型激光器的有效途径之一。常见的回音壁模式微腔包括微球型、微柱型、微盘型和微环型，其直径通常从几微米到百微米不等。由于全内反射原理，回音壁模式微腔能将光束囚禁在腔内循环振荡。在微腔中添加增益介质，并注入对应的泵浦能量，就可以实现特定的激光输出。得益于制备技术的提高，微腔的外表面能够实现纳米量级的光洁度，使得光在腔内传播的散射损耗非常小，进而使得微腔的品质因子(Q值)通常高达10⁵～10¹⁰。由于超高的Q值，腔内传播损耗小，微腔内只需要非常少量的增益介质，就能实现激光输出。与之对应，微型激光器的阈值也非常低，通常为微瓦量级。然而，微型激光器的其他参数，例如噪声、线宽和输出功率，目前还不够理想，存在很大的优化空间。例如，Z.Zhang等人报道的微纳光纤激光器(Z.Zhang et al.Appl.Phys.Express 6(4)(2013):042702.)，其线宽2kHz，噪声-110dB/Hz，输出功率为432nW。

微腔激光器性能不佳的一个主要原因，是泵浦效率过低。常规尺寸的激光器的泵浦转换效率能够逼近理论极限，通常为10～50％。而微腔激光器的泵浦转换效率通常低于1％。其主要原因是，微腔谐振峰的半高全宽通常小于1MHz，而用于泵浦的半导体激光器的线宽超过10MHz。因此，超过90％的泵浦能量无法在微腔内实现谐振，反而是对腔体进行加热，引入了额外的热噪声。此外，微腔中光束循环次数多，腔内累积的光能量密度可以是腔外的数十倍，也导致腔体热负荷严重。热噪声会进一步导致微腔激光输出光束的其他性能劣化。例如，理论上超短腔所应该具备的超窄线宽难以实现，最终输出的激光功率也非常低。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种级联泵浦的微腔激光器。级联泵浦指利用外界泵浦微腔产生第一种激光，再将产生的激光作为泵浦源泵浦第二种增益材料，产生第二种激光。由于级联泵浦的中间泵浦源为该微腔的谐振模式，与最终输出激光模式重叠率更高，能量转换效率更高。因此，采用级联泵浦，能够有效降低微腔的热负荷，最终实现低噪声、窄线宽和毫瓦量级的输出激光功率。

为实现以上目的，本发明的技术方案为。

一种级联泵浦的微腔激光器，包括泵浦光源，带有两端尾纤的光纤锥结构，复合增益介质微腔。复合增益介质微腔中包含N种增益材料，N的取值为2～10。泵浦光耦合进光纤后，经由光纤锥结构耦合进微纳光纤，进而通过倏逝波作用耦合进复合增益介质微腔中。微腔中的第一种增益材料在泵浦光作用下，产生第一种激光信号。产生的第一种激光作为新的泵浦源，被第二种增益材料吸收，并产生第二种激光信号。以此类推，第N-1种激光信号将作为第N种增益材料的泵浦源，最终产生第N种激光信号。产生的N种激光信号通过倏逝波作用耦合回微纳光纤中，并最终在光纤末端输出。