基于CO2激光加工的法布里-珀罗光学微腔阵列的制备 下载: 936次
1 引言
法布里-珀罗(FP)微腔激光器在各研究领域有着广泛的应用,如在光微流激光中,采用FP微腔激光可以实现对微量物质的检测[1-12]。一般情况下,FP微腔是由两个平行的平面反射镜构成,但在组装过程中,通常会人为地引入倾斜损耗,从而造成微腔损耗的增加。前期的工作通过CO2激光微加工的方法,在熔融石英玻璃上制备微型凹面结构,结合镀膜技术,可实现微型凹面镜结构的制备[13-14]。采用平面镜-凹面镜形式组成的FP光学微腔可以极大地减少微腔的损耗,降低微腔激光(即实验中的光微流激光)的泵浦阈值。
FP微腔阵列在激光波分复用、多信号光微流激光产生及检测等方面有着广泛的应用。前期的工作通过CO2激光打点的方式在熔融石英玻璃基底上制备阵列型凹面结构,从而实现阵列型光微流激光的产生[13]。但这种方法产生的阵列结构周期较长,所组成的FP微腔的模式体积也较大。
为了进一步完善以上加工方法,本文采用CO2激光微加工和掩模板相结合的方法在熔融石英玻璃基底上制备出微型的阵列结构,随后通过镀膜技术和微腔组装,制备了FP微腔阵列,并测试了此微腔阵列中光微流激光的产生。
2 理论分析
一束平行光通过一个透射型掩模板后,再经透镜聚焦可在其焦平面处得到掩模板的傅里叶空间光谱。采用如
通过4个圆孔可得到4个点光源,其在物平面(x,y)的电场分布为
则在傅里叶频谱面的电场分布为
因νx=x'/λf,νy=y'/λf,故
由(4)式可知,波矢k=2π2
图 1. 掩模板四圆孔分布及其傅里叶空间频谱。(a)掩模板; (b)掩模板的傅里叶空间频谱
Fig. 1. Distribution of four circular holes in the mask and its Fourier spatial spectrum. (a) A mask; (b) Fourier spatial spectrum of the mask
3 实验结果及分析
3.1 CO2激光加工阵列凹面结构
图 2. 加工装置与结果。(a)CO2激光加工制备点阵结构示意图(放大部分为掩模板);(b)熔融石英玻璃基底上制备的 3×3点阵结构(显微镜图,右上角为单个凹槽的放大图);(c)盖玻片基底上制备的5×5点阵结构(显微镜图)
Fig. 2. Processing equipment and results.(a) CO2 laser processing diagram for processing lattice structure(enlarged image for mask); (b) 3×3 lattice structure prepared on fused silica substrate (microscope picture, the picture in the upper right corner is an enlarged view of a single structure); (c) 5×5 lattice structure prepared on the cover slip substrate (microscope picture)
图 3. 结构的一维深度分布。(a)点阵中心三个结构点的一维深度分布;(b)点阵中心上方两个结构点的一维深度分布;(c)最上方单个结构点的一维深度分布
Fig. 3. One-dimensional depth distribution of structure.(a) One-dimensional depth distribution of three structural points in the center of the lattice; (b) one-dimensional depth distribution of two structural points above the center of the lattice; (c) one-dimensional depth distribution of the top single structural point
随后在有凹面结构的熔融石英玻璃基底和盖玻片基底上镀制了多层高反射介质膜(SiO2和Ta2O5介质层)以形成高反射镜面(反射中心波长为580 nm);则在凹面结构的底部位置形成具有高反射率的凹形球面反射镜。
3.2 FP微腔的制备及激光测试
实验上采用的玻璃基底尺寸为20 mm×20 mm×1 mm。采用CO2激光加工时,可以在此玻璃基底上制备多组点阵结构,如
图 4. FP微腔组装与激光测试。(a)FP微腔的组装;(b)光微流激光测试装置;(c) CCD采集的激光出射远场图;(d)激光光谱图
Fig. 4. FP microcavity assembly and laser testing. (a) Assembly of FP microcavity; (b) optofluidic laser test device; (c) far field image of laser emission collected by CCD; (d) laser spectrum
本文测试了基于熔融石英玻璃基底的FP微腔芯片,用于产生光微流激光。增益介质为溶于无水乙醇的罗丹明6G(R6G,浓度为1 mmol/L)。采用532 nm的脉冲激光器(脉宽为5 ns,重复频率为20 Hz)作为泵浦源,经透镜(焦距为6 mm)聚焦后通过平面镜垂直入射到FP微腔中[
4 结论
本文主要制备了FP微腔阵列,并测试了FP微腔阵列的光微流激光产生。通过CO2激光加工的方法在玻璃基底上制备了凹面结构。熔融石英玻璃阵列结构中每个凹面结构都呈高斯分布,结构最大深度t的范围为0.042~0.64 μm,半峰全宽d的范围为11.30~16.60 μm,最小曲率半径R的范围为156~550 μm。同时,以此结构构建的平凹型FP微腔阵列激光器在泵浦光能量密度为38.2 μJ/mm2的激光泵浦下实现了多个激光信号的产生。
在今后的工作中,将进一步改善加工工艺,制备更高品质和更低模式体积的FP微腔阵列激光器。同时,也将探讨FP微腔阵列激光器在光通信以及生化检测等方面的具体应用。
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贾卓楠, 张婷婷, 栗正华, 花双全, 王文杰. 基于CO2激光加工的法布里-珀罗光学微腔阵列的制备[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(23): 231404. Zhuonan Jia, Tingting Zhang, Zhenghua Li, Shuangquan Hua, Wenjie Wang. Fabrication of Fabry-Pérot Optical Microcavity Array Based on CO2 Laser Processing[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(23): 231404.