一种基于热光效应动态调控激光模式的方法

技术领域

本发明属于光电技术领域，涉及一种基于热光效应动态调控激光模式的方法。

背景技术

激光是20世纪的伟大发明，自问世以来对国防、加工、通讯以及生命科学等领域造成了巨大影响。激光技术的发展也因此受到全世界科研人员的广泛关注，尤其是设计和构建波长动态可调的新型激光器。目前，激光波长的调控方法有分布式反馈、分布式布拉格反射、自吸收效应、能带工程等。然而，这些方法只能在通过预先设计，一旦固定，激光出射波长也随之固定，而无法对波长进行动态可逆调控。近年来，专利申请人通过外部机械应变的方式，改变微米棒的折射率，从而实现氧化锌回音壁模激光的动态调控。但应变的加载方式似乎只能在特定的系统(如微机电、纳机电等)中才能发挥作用，对于光学集成而言恐难以操作。因此，急需发展一种便于光子集成的新的调控方式。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于热光效应动态调控激光模式的方法，该方法利用电注入产生的焦耳热改变镓掺杂氧化锌微米棒的折射率，从而实现腔模动态调控的目的。

技术方案：本发明提供的一种基于热光效应动态调控激光模式的方法，包括如下步骤：

(1)将镓掺杂氧化锌微米棒置于绝缘衬底上，两端制备电极；

(2)将泵浦光源聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒进行光激发，并收集镓掺杂氧化锌微米棒的光信号；

(3)利用直流电源对镓掺杂氧化锌微米棒施加电压，并观测注入电流；

(4)同时进行光泵浦，并实时收集通电后的光信号，对比分析通电前后的光谱信号。

进一步地，所述步骤(1)中，氧化锌微米棒中镓元素掺杂含量为0％～10％，长度为0.1～1.5cm，直径为1～20μm；

进一步地，所述步骤(1)中，绝缘衬底材质包括二氧化硅、石英片、载玻片、蓝宝石或者云母，长为1～5cm，宽为0.5～2cm，厚为100～1000μm。

进一步地，所述步骤(1)中，电极材质为金属银或者铟，两端电极的间距为100～2000μm。

进一步地，由于激射模式半高宽极窄，对光谱仪分辨率有一定要求，分辨能力太低无法采集，激发光源以脉冲宽度为纳秒以下的光源为佳。因此，步骤(2)中，泵浦光源的重复频率为1～6000Hz，脉冲宽度为50fs～50ns，设置波长为315～360nm；收集激射信号的光谱仪分辨率为0.03～0.3nm，光栅刻线为300～1200g/mm。

进一步地，所述步骤(2)中，将样品放置于配置光学显微镜的微区系统三维可调平台上，通过调节将泵浦光聚焦于样品上。

进一步地，所述三维可调平台的调节精度为1～10μm，行程为3～8cm。

进一步地，所述光学显微镜的物镜倍率为10～50倍，目镜倍率为10～20倍。

进一步地，所述步骤(3)中，直流电源电压施加范围0～210V，调节精度为0.1～1V。

有益效果：

(1)与现有技术相比，本发明的调控方法具有动态、实时、可逆的特征；

(2)本发明基于热光效应动态调控氧化锌回音壁模式，调控精度更高；

(3)本发明基于电注入产生焦耳热的方式进行动态调控，更加容易与后续光子电路进行集成；

(4)本发明利用热光效应将目前基于传统硅谐振腔，位于近红外波段(～1550nm)的调控拓展至氧化锌微腔的紫外波段(～390nm)。

附图说明

图1是器件结构示意图。

图2是不同偏压下的激射谱。

图3是注入电功率与腔模共振波长变化关系图。

图4是0V偏压下镓掺杂氧化锌微米棒温度分布。

图5是5V偏压下镓掺杂氧化锌微米棒温度分布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步地详细描述。

如图1所示为器件结构示意图，主要包括镓掺杂氧化锌微米棒、金属电极和绝缘衬底。

本发明提供了一种基于热光效应动态调控激光模式的方法，通过电注入的方式，使得镓掺杂氧化锌微米棒产生焦耳热，从而改变其折射率，达到动态、实时、可逆地调控光学腔模的目的。

发明原理：光学腔模与增益介质、微腔尺寸及折射率密切相关。基于前两者的波长可调谐激光器不具备动态、实时、可逆调控的特征。从物理学原理出发，通过引入物理场，改变镓掺杂氧化锌微米棒的折射率则是实现上述目标的有效途径。

本发明提供的一种基于热光效应动态调控激光模式的方法包括如下步骤：

(1)将镓掺杂氧化锌微米棒置于绝缘衬底上，两端制备电极；氧化锌微米棒中镓元素掺杂含量为0％～10％，长度为0.1～1.5cm，直径为1～20μm；绝缘衬底材质包括二氧化硅、石英片、载玻片、蓝宝石或者云母，长为1～5cm，宽为0.5～2cm，厚为100～1000μm。电极材质为金属银或者铟，两端电极的间距为100～2000μm。

(2)将样品放置于配置光学显微镜的微区系统三维可调平台上，通过调节将泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒进行光激发，并收集镓掺杂氧化锌微米棒的光信号；三维微区平台的调节精度为1～10μm，行程为3～8cm；光学显微镜的物镜倍率为10～50倍，目镜倍率为10～20倍。

由于激射模式半高宽极窄，对光谱仪分辨率有一定要求，分辨能力太低无法采集，激发光源以脉冲宽度为纳秒以下的光源为佳。因此，步骤(2)中，泵浦光源的重复频率为1～6000Hz，脉冲宽度为50fs～50ns，设置波长为315～360nm；收集激射信号的光谱仪分辨率为0.03～0.3nm，光栅刻线为300～1200g/mm。

(3)利用直流电源对镓掺杂氧化锌微米棒施加电压，并观测注入电流；直流电源电压施加范围0～210V，调节精度为0.1～1V。

(4)同时进行光泵浦，并实时收集通电后的光信号，对比分析通电前后的光谱信号，得到施加偏压与同一腔模的变化关系。

本发明中所采用的镓掺杂氧化锌微米棒，可以通过市售，也可以通过自行合成的方式得到。其中，镓掺杂氧化锌微米棒的制备方法具体包括如下步骤：

S1、按质量比1:1:0～0.5称取氧化锌粉末、石墨粉和氧化镓粉末混合并进行充分研磨，研磨好的混合物作为反应源；

S2、将硅片清洗并吹干作为衬底，抛光面作为生长面朝下覆盖在装有反应源的石英舟上且不与反应源接触；

S3、将装有反应源和覆有硅衬底的石英舟装入两端开口的石英管，并将整体置于管式炉高温区进行反应，反应温度为1100～1200℃；

S4、向管式炉内通入氩气和氧气直至反应结束，在硅片上得到镓掺杂氧化锌微米棒阵列，冷却至室温后取出。

实施例1：

本实施例基于热光效应动态调控激光模式的方法包括如下步骤：

(1)选取长度为0.5cm，直径为10μm的单根镓掺杂含量为0.2％氧化锌微米棒放置于长宽为1cm×1cm的绝缘二氧化硅衬底上；微米棒两端按压铟粒作为电极，电极间距为500μm；

(2)将制备好的器件放置于精度为1μm，进程为5cm的三维位移台上，调节位移台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为325nm，重复频率为1000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发，并采用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌的光学信号进行采集；

(3)利用直流电源对器件连续施加偏压，范围0～4.5V，调节精度0.1V；

(4)对连续施加偏压的光谱信号进行同时采集，并观测光谱的变化。

如图2所示，随着施加偏压的增加，激射模式向长波方向移动；最后可得出注入功率与腔模移动量的变化关系图，如图3所示。图4和图5则给出电注入产生焦耳热的直接证据。

实施例2：

本实施例基于热光效应动态调控激光模式的方法包括如下步骤：

(1)选取长度为0.8cm，直径为5μm的单根镓掺杂含量为0.2％氧化锌微米棒放置于长宽为1cm×1cm的绝缘二氧化硅衬底上；微米棒两端按压铟粒作为电极，电极间距为600μm；

(2)将制备好的器件放置于精度为2μm，进程为3cm的三维位移台上，调节位移台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为355nm，重复频率为2000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发，并采用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌的光学信号进行采集；

(3)利用直流电源对器件连续施加偏压，范围0～10V，调节精度0.1V；

(4)对连续施加偏压的光谱信号进行同时采集，并观测光谱的变化。

实施例3：

本实施例基于热光效应动态调控激光模式的方法包括如下步骤：

(1)选取长度为1.0cm，直径为3μm的单根镓掺杂含量为0.2％氧化锌微米棒放置于长宽为1cm×1cm的绝缘二氧化硅衬底上；微米棒两端按压铟粒作为电极，电极间距为800μm；

(2)将制备好的器件放置于精度为1μm，进程为8cm的三维位移台上，调节位移台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为325nm，重复频率为6000Hz，脉冲宽度为100fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发，并采用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌的光学信号进行采集；

(3)利用直流电源对器件连续施加偏压，范围0～50V，调节精度0.1V；

(4)对连续施加偏压的光谱信号进行同时采集，并观测光谱的变化。

实施例4：

本实施例基于热光效应动态调控激光模式的方法包括如下步骤：

(1)选取长度为0.5cm，直径为5μm的单根镓掺杂含量为0.2％氧化锌微米棒放置于长宽为1cm×1cm的绝缘二氧化硅衬底上；微米棒两端按压铟粒作为电极，电极间距为1000μm；

(2)将制备好的器件放置于精度为1μm，进程为5cm的三维位移台上，调节位移台，通过物镜为10倍率，目镜为10倍率的光学显微镜将激发波长为355nm，重复频率为3000Hz，脉冲宽度为190fs的泵浦光聚焦于镓掺杂氧化锌微米棒上进行光激发，并采用光谱分辨率为0.03nm、光栅刻线为1200g/mm的光谱仪对氧化锌的光学信号进行采集；

(3)利用直流电源对器件连续施加偏压，范围0～20V，调节精度0.1V；

(4)对连续施加偏压的光谱信号进行同时采集，并观测光谱的变化。

对比例：

本对比例与实施例1基本相同，不同之处在于镓元素的掺杂含量为0.5％。

将制备得到的器件按照实施例1中的方法进行动态调控激光模式，由于镓元素掺杂含量的不同，需要施加不同的电压以达到调控的目的。