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能够调谐激光器的技术

回音壁模式谐振器可以用来制造微型激光器、传感器、交换器、路由器以及其他器件。这些微型结构显示出的现象类似于环形回廊中观察到的效果,例如在一些大教堂或博物馆中,声波穿过回廊反射并重新聚焦,使得一边的耳语可以在另一边被听到。

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聚合回音壁模(WGM)分离薄片腔的扫描电子显微照片:中间具有几微米空气隙的两个相对半圆盘(R =25微米)通过激光直写技术固定在弹性体硅氧烷衬底上。援引:德国卡尔斯鲁厄理工学院Tobias Siegle


同样的现象也适用于光。当光存储在环形或球形有源腔时,波会以这样的方式重叠产生激光。研究人员在这周的《APL Photonics 》期刊上报道了一种新型染料掺杂的回音壁模微型激光器,它可以产生可调谐波长光。新器件的调谐范围比过去更宽,而且它是完全可逆的。


根据在德国卡尔斯鲁厄理工学院执教的Tobias Siegle的说法,该设计的独特之处在于通过改变柔性基板的尺寸来实现调谐。拉伸基板会改变谐振器中两个分离薄片之间的距离,从而改变所产生的光的波长。


薄片本身直径约为25微米,两个半圆薄片之间的初始间隔大约为2.5微米,仅为人的头发直径的3%。薄片被安装在弹性体或可塑性塑料基底上,该基底可以沿垂直于薄片分离的方向被拉动,从而减小间隙尺寸。当间隙尺寸减小时,这些微型激光器产生的光会发生蓝移。同时他们也观察到了可见光范围内几纳米的波长偏移。


Siegle表示:“我们的新设计产生了一个宽调谐范围,这是使用其他回音壁模谐振器不能轻易达到的,此外,调谐机制也是完全可逆的。”

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调谐过程示意图:通过机械拉伸基底(蓝色箭头)或者使其横向收缩(绿色箭头)可以调整分离薄片的共振波长和间隙。援引:德国卡尔斯鲁厄理工学院Tobias Siegle


这种特性使得器件可以用于基础光学研究。分离薄片技术的另一个特点是提高了折射率传感的灵敏度。


“对于具有1.4微米间隙宽度的谐振器,与没有间隙的参考叠片谐振器相比,感测性能提高了65%”,Siegle说。


最有用的器件具有较低的激光阈值,因为这可以减少它的使用能量。低阈值可降低或防止器件中使用的染料分子发生光致漂白,而且可以增加其预期寿命。研究人员测试了他们的设计,发现使用3D或电子束光刻技术制造的分离薄片会产生低阈值激光。


质量或品质因子(Q值)是被研究的另一个参数,它对应于激光腔中的光子存储时间。尽管更倾向于高Q值,但是研究人员发现虽然他们分离薄片设计的Q值有所减少,但激光阈值处于合适的范围内,所以他们是设计也是有价值的。


未来的工作将集中在开发可调谐耦合谐振器波导,它可以用作光学延迟线或滤波器和一些其他应用。

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