微泡谐振腔的制造方法和激光系统

技术领域

本发明涉及量子光学和激光技术领域，特别涉及一种高品质因子微泡谐振腔的制造方法，以及包括该微泡谐振腔的激光系统。

背景技术

激光器是一种光学振荡器，在信息储存、全息术、材料加工、计算学、地质学、临床医学等广泛的应用领域中有着不可替代的作用。近几十年随着激光器的发展，其种类、性能、应用都有着前所未有的提升，这也推动着光学领域以及人类社会的进步。

按照工作介质的不同，激光器可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器。根据激光输出方式的不同，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器。根据输出功率可将激光器分为低功率(1000W以下)、中功率(1000～3000W)和高功率(3000W以上)。根据输出波长可分为红外激光器，可见光激光器等(绿色荧光蛋白激光器即为绿色可见光波段激光器，mCherry荧光蛋白激光器即为红色可见光波段激光器)。

目前最常见的激光器有：二氧化碳激光器、半导体激光器和光纤激光器，这些激光器的技术已经非常成熟，但也存在着体积大、品质因子低、耗能大、散热慢、部分发光材料具有毒性等弊端。例如，由于体积偏大，且增益介质为固态，因此会具有较高的热损耗。

荧光蛋白激光器是一种增益介质为有机发光体的激光器，荧光蛋白等有机发光材料显示出良好的生物相容性以及高的光学增益。微泡谐振腔能够以回音壁模式对光反馈结构进行光放大。因此，微泡谐振腔的品质因子对荧光蛋白激光器的能量消耗、信噪比等具有显著影响。基于此，如何制造高品质因子的微泡谐振腔成为亟需解决的问题。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个方面提供一种微泡谐振腔的制造方法，包括：

S1：以强氧化性溶液清洁二氧化硅毛细管外聚合物包层；

S2：以酸性溶液蚀刻二氧化硅毛细管，以减小管壁厚度；

S3：将所述二氧化硅毛细管加热，拉伸以减小毛细管直径；

S4：对二氧化硅毛细管加压，并以二氧化碳激光照射，使毛细管软化并膨胀，形成微泡谐振腔。

在本发明的一些实施方式中，所述强氧化性溶液为食人鱼溶液。

在本发明的一些实施方式中，所述酸性溶液为氢氟酸。

在本发明的一些实施方式中，以酸性溶液蚀刻二氧化硅毛细管，以减小管壁厚度至10～11μm。

在本发明的一些实施方式中，将所述二氧化硅毛细管加热至1400℃～1500℃，拉伸以减小毛细管直径至30μm～50μm。

在本发明的一些实施方式中，将所述二氧化硅毛细管加热至1430℃，拉伸以减小毛细管直径至40μm。

在本发明的一些实施方式中，对二氧化硅毛细管加压至(1.68～2.16)×10

在本发明的一些实施方式中，对二氧化硅毛细管加压至2×10

在本发明的一些实施方式中，形成的所述微泡谐振腔的直径为90～120μm、壁厚为1.5～2μm。

在本发明的一些实施方式中，形成的所述微泡谐振腔的直径为110μm、壁厚为1.5μm。

本发明的另一个方面提供了一种激光系统，包括：

用于发射特定波长的泵浦光线的泵浦激光器；

如前所述的制造方法制造的微泡谐振腔，所述特定波长的泵浦光线能够激发填充于所述微泡谐振腔内的增益介质以产生激光。

在本发明的一些实施方式中，所述的激光系统，包括：

用于调节所述泵浦激光器发生的泵浦光线的能量的偏振器；

用于调节经所述偏振器后的泵浦光线的光束直径的扩束器；以及

用于将经所述扩束器后的泵浦光线聚焦于所述微泡谐振腔的凸透镜，使聚焦后的泵浦光线能够激发所述增益介质以产生激光。

本发明提供的激光系统(具有高品质因子的微泡谐振腔)打破了使用非生物增益介质材料的晶体、半导体材料等传统激光器，发挥了自己的独特价值：

(1)本发明提供的激光系统可以应用荧光蛋白作为增益介质。由于液体的流动性以及蛋白质本身微小的事实，相较于传统的激光器极大地降低了激光器的热损耗，尺寸仅有百微米量级，其增益介质具有低毒性和高生物相容性。

本发明的激光系统的品质因子为5.3×10

(2)本发明的激光系统属于光流体激光器这一重要分支，即将微流控及光学的技术各自展示优势性结合而成的新型研究领域。因此，具有微流控优势：通过抽灌方式可以方便的更改腔内的增益介质，改变增益介质的浓度，可形成本身占用体积小且低能量消耗的激光装置，不仅推动了微量流控的发展，而且应用液体的流动性进行循环，解决了传统激光器耗能大、散热慢等问题。

(3)本发明提供的激光系统将激光技术从非生物领域引领至生物领域，在生物领域上也具有其独特的优势。其具有的窄线宽、高信噪比和阈值行为等优越特性让其在生物成像、生物传感、细胞标记、细胞追踪、辅助治疗组织突变性疾病等方面都有着独特的优势。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的微泡谐振腔的制造方法流程图；

图2为本发明一实施例提供的激发-收集系统的结构示意图；

图3为采用图1所示的制造方法制造的微泡谐振腔的显微镜图像和光学模式的理论模拟结果图；

图4为采用图1所示的制造方法制造的微泡谐振腔在不同泵浦能量下的激光器发射谱和随泵浦能量密度变化的归一化激光强度(增益介质为浓度10μM的绿色荧光蛋白)。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对发明作进一步详细的说明。虽然附图中显示了本发明示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更便于透彻的理解本发明，并且能够将本发明的构思完整的传达给本领域人员。

如图1所示，本发明一实施例提供一种微泡谐振腔的制造方法，包括：

S1：以强氧化性溶液清洁二氧化硅毛细管外聚合物包层；

S2：以酸性溶液蚀刻二氧化硅毛细管，以减小管壁厚度；

S3：将所述二氧化硅毛细管加热，拉伸以减小毛细管直径；

S4：对二氧化硅毛细管加压，并以二氧化碳激光照射，使毛细管软化并膨胀，形成微泡谐振腔。

其中，步骤S1所采用的二氧化硅毛细管的尺寸(即待加工的二氧化硅毛细管的初始尺寸)可以为外径140μm、内径100μm、壁厚20μm，但不限于此尺寸。

在步骤S1中，以强氧化性溶液清洗管外聚合物包层之后，利用显微镜观察可获知表面的清洁度，确定清洗是否完成。

进一步地，步骤S1中的强氧化性溶液为食人鱼溶液(浓硫酸与过氧化氢比例为7:3)。优选地，将食人鱼溶液加热至150℃～160℃后清洁二氧化硅毛细管外聚合物包层。更优选地，将食人鱼溶液加热至155℃后清洁二氧化硅毛细管外聚合物包层。

进一步地，在步骤S2中，所述酸性溶液为氢氟酸。

进一步地，在步骤S2中，以酸性溶液蚀刻二氧化硅毛细管，以减小管壁厚度至10μm～11μm。

进一步地，在步骤S3中，将所述二氧化硅毛细管加热至1400℃～1500℃，拉伸以减小毛细管直径至30μm～50μm。优选地，将所述二氧化硅毛细管加热至1430℃，拉伸以减小毛细管直径至40μm。

进一步地，在步骤S4中，对二氧化硅毛细管加压至(1.68～2.16)×10

进一步地，在步骤S4中，以二氧化碳激光照射的照射时间为1～2秒，照射强度为4.5～6.5瓦。优选地，照射时间为1.5秒，照射强度为5.5瓦。

进一步地，在步骤S4中，形成的所述微泡谐振腔的直径为90～120μm、壁厚为1.5～2μm。优选地，形成的所述微泡谐振腔的直径为110μm、壁厚为1.5μm。

如图2所示，本发明一实施例提供一种激光系统，包括用于发射特定波长的泵浦光线的泵浦激光器1以及如前所述的任一制造方法制造的微泡谐振腔15，特定波长的泵浦光线能够激发填充于微泡谐振腔内的增益介质以产生激光。

以增益介质为绿色荧光蛋白为例(其激发波长为473nm)，因此泵浦光线的波长应为473nm，产生的绿色荧光蛋白激光的波长则约为520nm。

进一步地，增益介质可以为荧光蛋白(绿色荧光蛋白、增强型绿色荧光蛋白、mCherry红色蛋白、DsRed红色蛋白等)、染料(罗丹明等)、nv色心、并五苯中的任一种发光材料。增益介质可以采用注射泵加压推入至微泡谐振腔内。

进一步地，激光器1为脉冲激光器(OPO激光器)，增益介质为荧光蛋白时，脉冲激光器能够更有效地完成激发。

进一步地，激光系统包括用于调节泵浦激光器1发生的泵浦光线的能量的偏振器2，用于调节经偏振器2后的泵浦光线的光束直径的扩束器3，以及用于将经扩束器3后的泵浦光线聚焦于微泡谐振腔15的凸透镜4，使聚焦后的泵浦光线能够激发增益介质以产生激光。

继续参照图2，本发明一实施例提供一种激发-收集系统，该激发-收集系统用于验证前述激光系统(微泡谐振腔)的品质。所述激发-收集系统包括如前所述的激光系统，用于过滤特定波长的光线的二向色镜8，二向色镜8能够过滤泵浦光线，且能够透过增益介质被激发后产生的激光，用于收集经过滤后的激光的多模光纤13，以及用于根据所收集的激光生成光谱的光谱分析仪14。

进一步地，激发-收集系统包括用于过滤特定波长的光线的光学长通滤波器11，光学长通滤波器11用于对经二向色镜8过滤后的泵浦光线进行再次过滤，以及用于聚焦光线的凸透镜12，经凸透镜12聚焦后的激光被多模光纤13收集。

进一步地，激发-收集系统包括用于将经二向色镜8过滤后的激光等分的分束镜9，其中，一部分(例如，50％)激光被摄像头10采集以用于成像，一部分(例如，50％)激光被多模光纤13收集。

进一步地，为了进一步减小激发-收集系统的尺寸，其还可以包括平面镜5，将经过凸透镜4的泵浦光线反射至另一路径。激发-收集系统还可以包括物镜6(收集、观察绿色荧光蛋白被激发后的激光)和照明器7(发射可调节光强的蓝色可见光，照明器7和摄像头10共同监控微泡谐振腔在该激发-收集系统中的位置)。

使用时，以向微泡谐振腔注入绿色荧光蛋白为例(绿色荧光蛋白的激发波长为473nm)，激光器1(OPO激光器)发射波长为473nm的脉冲光线(泵浦光线)，偏振器2调节泵浦光线的能量，扩束器3减小泵浦光线的光束直径。通过凸透镜4聚焦后和平面镜5反射后，激发微泡谐振腔15内的绿色荧光蛋白以产生激光(经聚焦和反射后的泵浦光线的光斑足以覆盖整个微泡谐振腔15)。绿色荧光蛋白被激发后所产生的激光由物镜6收集、观察。物镜6(照明器7能够发射可调节光强的蓝色可见光，实现为物镜6补光)、摄像头10共同监控微泡谐振腔15的位置，确保注入的绿色荧光蛋白能够被泵浦光线完全激发。

图3为微泡谐振腔的显微镜图像和光学模式的理论模拟结果图。图4为不同泵浦能量下的激光器发射谱和随泵浦能量密度变化的归一化激光强度(增益介质为浓度10μM的绿色荧光蛋白)。在注入的绿色荧光蛋白被激发的情况下，如图3所示，微泡谐振腔的光学模式在空心内具有明显的倏逝场，适用于谐振器和绿色荧光蛋白溶液之间的相互作用。(绿色荧光蛋白)激光系统的品质因子高达5.3×10

基于此，采用本发明制造的微泡谐振腔(或激光系统)具有低阈值、超灵敏度的生物检测优势，同时能够保证增益介质不被高能泵浦光线破坏，其在医疗应用方向有着重要的发展前景。

在本说明书的描述中，参考术语“某些实施方式”、“一个实施方式”、“一些实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制性的。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，但本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。