《Optics & Laser Technology》：All-optical tunable single-mode lasing in polymer-coated microresonators
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提出一种基于纳米加热器的宽调谐单模 whispering gallery 微腔激光器，通过红外激光烧蚀将NaGdF4:Yb3+/Er3+纳米颗粒集成到聚合物微腔中，利用光热效应实现可见光范围的高效调谐，结合耦合微腔结构抑制多模竞争，获得4.2 nm的宽调谐范围和12 dB的侧模抑制比。
Xiaolei Hao|Haowen Zhao|Shiyuan Zhao
大连理工大学光电工程与仪器科学学院，中国大连 116024
摘要
全光可调谐激光器由于其高光谱纯度、优异的光热转换效率和非接触式调谐能力，非常适合用于全光网络中的集成光子器件。然而，实现宽调谐范围的全光可调谐单模激光仍然是一个挑战。我们提出了一种利用纳米加热器来调谐单模耳语廊模式（WGM）激光发射的方法，该方法能够在可见光谱范围内实现宽调谐。纳米加热器被集成到强耦合的尺寸失配聚合物微谐振器中。通过红外激光烧蚀微纤维将纳米加热器掺入二氧化硅芯中，而无需接触WGM，涂有聚合物的微腔能够保持高达1.73 × 10?的高品质因数。制造的室温下染料/纳米加热器共掺杂的聚合物微激光器在脉冲激发下表现出多模激光。由于耦合双微腔之间的相互作用，抑制了大量竞争模式，从而实现了稳定的单模激光输出，旁模抑制比高达12 dB。通过集成纳米加热器的强大光热效应的连续触发，在强耦合激光器中获得了显著增强的4.2 nm全光调谐范围。这项研究为全光可调谐光源提供了新的设计和制造方法。
引言
耳语廊模式（WGM）微激光器利用染料掺杂的微腔，由于其出色的光学限制和增强的光-物质相互作用，已成为高灵敏度传感、非线性光学和光子集成的多功能平台[[1], [2], [3]]。这些系统通过高折射率界面处的全内反射实现闭环反馈，从而获得超高的品质因数（Q因子）和最小的模式体积[[4], [5], [6]]。尽管在全光多模激光方面取得了进展，但在WGM微腔内进行单模波长调谐仍然具有挑战性。这主要是由于孤立谐振器在整个增益光谱范围内存在多模/多波长输出，以及在同一增益区域内调谐单模波长的难度。虽然减小微腔尺寸可以扩大自由光谱范围（FSR）以实现单波长输出，但这种方法会增加激光阈值[7,8]。像分布式反馈（DFB）光栅这样的替代策略可以通过单模反馈实现模式选择[9,10]，但会增加制造复杂性。自适应的空间泵浦光轮廓选择可以特定模式[11]，但需要耗时的优化算法。相比之下，将辅助微腔作为主增益腔的光谱滤波器可以在不提高阈值或复杂结构的情况下扩大FSR[12,13]，为从小激光器实现单模输出提供了新的技术途径。波长可调谐性已成为WGM激光器的关键功能。已经展示了利用外部刺激（包括温度调制、电场、机械应变和流体渗透）的各种机制[[14], [15], [16], [17], [18]]。例如，Humar等人通过聚合物基质中的向列液晶变形实现了电调谐激光[19]，而Tang的团队展示了机械调谐的微泡激光[20]。Yu等人报告了通过泵浦波长依赖的光热效应在铒掺杂微泡中的全光调谐，尽管受到硅弱热光响应（0.1 nm调谐范围）的限制[21]。利用光吸收纳米粒子作为局部热源的光热粒子辅助调谐[22,23]显示出前景。例如，铜涂层的Yb3?/Er3?微谐振器[24]和由1550 nm激光触发的磁性纳米粒子集成结构。然而，在光热效率、调谐范围和稳定性方面仍存在挑战。通过将高效纳米加热器集成到强耦合的聚合物双微球结构中，制造出了具有宽调谐范围和高光谱纯度的全光可调谐单模微激光器，其调谐范围和旁模抑制比（SMSR）超过了之前报道的微激光器[21,24,28]。
我们提出了一种基于尺寸失配聚合物微球的全光可调谐单模微激光器。在这种设计中，一个腔体对另一个增益腔体进行光谱过滤。使用的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的非晶结构可以在二氧化硅微球表面形成均匀光滑的聚合物薄膜，有利于实现高品质因数的微谐振器。这种尺寸失配设计通过增强共享共振和抑制腔间耦合的竞争模式来扩大FSR，而不会提高阈值。在染料掺杂的尺寸失配耦合微腔中，双微腔共振相互作用产生的Vernier效应使得在脉冲泵浦下实现单模激光，并具有出色的旁模抑制效果。我们将高效的上转换Nd3?/Yb3?共掺杂光热纳米粒子集成到强耦合的双聚合物微谐振器中，通过连续波激光激发实现非接触式波长调谐。纳米加热器辅助的调谐实验在功率循环期间显示出稳定的激光模式移动，证实了微激光器的可靠性和操作稳健性。我们通过实验和数值研究尺寸依赖的FSR、激光模式特性和横截面电场分布，系统地研究了WGM激光机制。所提出的方法具有三个关键优势：(a) 通过弹性非晶PMMA形成光滑的球形WGM微腔，利用全内反射实现稳健的光学限制，实现了高品质因数的紧凑型微激光器。(b) 集成的NaGdF?:Nd3?/Yb3?纳米加热器利用Yb3?敏化剂的宽吸收截面和高效的光热转换实现宽范围的全光调谐。(c) 尺寸失配的耦合微腔结构通过Vernier效应实现模式选择，通过腔间相互作用展示了具有高光谱纯度和对比度的单模激光。
纳米加热器掺杂微激光器的制造和表征
提出了一种基于NaGdF?:Nd3?/Yb3?颗粒的掺杂方法，其中大部分NaGdF?可以精确地定位在微腔的核心，从而使掺杂的微激光器实现高Q因子。单模光纤固定在熔接机上，通过施加电弧逐渐锥形化，然后浸入NaGdF?:Nd3?/Yb3?掺杂的环己烷溶液（NaNdF?和C?H??的重量比为3:100）中几秒钟，以便充分
聚合物涂层微谐振器的多模激光
为了验证制备的染料/纳米加热器共掺杂聚合物涂层微谐振器的激光特性，将一个工作在532 nm的可见光脉冲激光器（重复率：8 Hz，持续时间：10 ns）聚焦在微球的上表面，并通过光纤收集在微谐振器边界产生的光。图2(h)显示了用于激发和收集激光作用的自制微光致发光系统的示意图
结论
在这项工作中，由于幸运地选择了具有高效光热转换效果的镧系掺杂纳米加热器和表现出优异Q因子的染料掺杂聚合物球形谐振器，我们提出并验证了一种多模WGM激光器和一种完全光可调谐的双波长选择单模微激光器，通过在室温下使用纳米加热器调谐强耦合结构实现了单模激光发射。所使用的PMMA的非晶结构可以形成均匀的
CRediT作者贡献声明
Xiaolei Hao：方法论，研究。Haowen Zhao：可视化，验证。Shiyuan Zhao：撰写——原始草稿，概念化。
资助
本研究部分由国家自然科学基金（NSFC）资助，项目编号为62305043。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
