CN106200205B - 荧光开关响应速度可调系统及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了荧光开关响应速度可调系统，包括单掺稀土透明材料、第一激光器、第二激光器、多个镜片光学元件、第一个探测器、第二探测器、光电倍增管、激光信号调制器；所述第一激光器的激光波长对应双频激光激发单掺稀土透明材料的基态吸收波长；所述第二激光器的激光波长对应双频激光激发单掺稀土透明材料的激发态吸收波长；所述掺稀土激光材料在连续激光和脉冲激光的同时激发下产生荧光，荧光经第三透镜后为光电倍增管接收；两个激光器，当其中一个为连续激光输出时，另一个则为脉冲激光输出；利用激光信号调制器调制激光器的激光输出形式在两个激光器之间进行连续或脉冲信号切换，实现荧光响应速度可调。

Description

荧光开关响应速度可调系统及调制方法

技术领域

本发明涉及荧光开关，特别涉及荧光开关响应速度可调系统及调制方法。

背景技术

随着现代信息化进程的加快，传统的电子信息处理已经不能满足人们日益生产生活的需要。在信息处理中，光子拥有比电子更多的优势，如：光学响应速度快、低串扰、几乎不受环境消相干作用的影响，并且集成深度高，易实现量子化。因此，光子将成为未来光信息处理发展的中心课题。光信息处理技术发展的最终目的是实现全光网络，这也就促使人们探索光的量子特性，通过光控光来实现光子间的相互作用，进而实现光路切换，以便应用于未来的全光开关。

由于光子间的相互作用极其微弱，这就促使人们通过在光开关中引入物理系统作为媒介来产生强烈的光子相互作用。近年来，不同的光转换途径被提出。但是，很多光转换物理途径都是在低温条件下才能实施。并且基质材料大多数都是类石墨烯或者非线性材料。众所周知，这类材料产量低，耗能大，不易拉制成光纤，影响未来的全光光纤通信的发展。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点与不足，本发明的目的在于提供一种荧光开关响应速度可调系统，利用双频激光激发单掺稀土透明材料的上转换原理，固定一束激光同时选择性地调控一束激光，实现响应速度快慢可调的荧光调制光开关。

本发明的另一目的在于提供一种荧光开关响应速度的调制方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

荧光开关响应速度可调系统，包括单掺稀土透明材料、第一激光器、第二激光器、多个镜片光学元件、第一探测器、第二探测器、光电倍增管、激光信号调制器；

所述第一激光器的激光波长对应双频激发单掺稀土透明材料的基态吸收波长；

所述第二激光器的激光波长对应双频激发单掺稀土透明材料的激发态吸收波长；

所述两个激光器发出的两路激光经镜片光学元件聚焦到单掺稀土透明材料上，经镜片光学元件后分别由两个探测器接收；

所述单掺稀土透明材料在连续激光和脉冲激光的激光下产生上转换荧光，荧光经第三透镜后为光电倍增管接收；

两个激光器，当其中一个为连续激光输出时，另一个则为脉冲激光输出；利用激光信号调制器调制激光器的激光输出形式在两个激光器之间进行连续或脉冲信号切换，实现荧光响应速度可调。

所述单掺稀土透明材料、第一激光器、第二激光器、多个镜片光学元件、第一探测器、第二探测器和光电倍增管按照几何光学光路走向排列，两路激光都聚焦成同一个光斑到单掺稀土透明材料上。

所述多个镜片光学元件包括第一反射镜、第二反射镜、第一二色镜、第一透镜、第二透镜、第二二色镜、第三反射镜；

所述第一激光器发出的激光经第一反射镜、第二反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第一探测器接收；

所述第二激光器发出的激光经第三反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第二探测器接收。

所述单掺稀土透明材料为三价稀土离子单掺杂的微晶玻璃，光纤，透明晶体，透明陶瓷，透明薄膜，有机-无机复合透明体中的任意一种。

所述三价稀土离子为Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Eu³、Tb³⁺中的任意一种。

荧光开关响应速度调制方法，通过选择基态和激发态吸收波长的双频激光同时激发单掺稀土透明材料，促使单掺稀土透明材料产生上转换荧光发射，选择不同的激光泵浦方式即可获得不同响应速度的荧光开关。

荧光开关响应速度调制方法，所述荧光开关包含单掺稀土透明材料，所述单掺稀土透明材料为三价稀土离子单掺杂的微晶玻璃，光纤，透明晶体，透明陶瓷，透明薄膜，有机-无机复合透明体中的任意一种；所述的开关响应速度快慢可调。

本发明的原理为：稀土离子具有丰富的能级，提供丰富的基态和激发态吸收，通过选择基态和激发态吸收波长双频激光同时激发单掺稀土透明材料，将提供高效的上转换荧光发射。当选择性地控制激光波长将会出现具有不同开关响应速度的上转换荧光发射。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明克服了单频激光激发单掺稀土透明材料，难以实现上转换发光或者发光效率很低的缺陷，以单掺稀土透明材料为载体，双频激光同时激发时，上转换荧光发射效率提高；利用双频激光同时激发的优点，选择性地切换调控激光，实现响应速度快慢可调的荧光开光。

(2)本发明的荧光开关响应速度可调系统，利用激光器、反射镜、二色镜、透镜、光电倍增管和探测器等光学元件搭建同轴光学系统，便于快速、简单地实现响应速度快慢可调的荧光开光。

附图说明

图1为本发明的实施例的荧光开关响应速度可调系统示意图。

图2为不同单掺稀土离子的双频激发上转换能级原理图。

图3为Er³⁺掺杂的微晶玻璃在单频双频激发下的荧光光谱图。

图4(a)为Er³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快速荧光开关调制。

图4(b)为Er³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的慢速荧光开关调制。

图4(c)为Er³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快慢可调的荧光开关调制。

图5为Tm³⁺掺杂的微晶玻璃在单频双频激发下的荧光光谱图。

图6(a)为Tm³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快速荧光开关调制。

图6(b)为Tm³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的慢速荧光开关调制。

图6(c)为Tm³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快慢可调的荧光开关调制。

图7为Ho³⁺掺杂的微晶玻璃在单频双频激发下的荧光光谱图。

图8(a)为Ho³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快速荧光开关调制。

图8(b)为Ho³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的慢速荧光开关调制。

图8(c)为Ho³⁺掺杂的微晶玻璃利用双频激发的快慢可调的荧光开关调制。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，本实施的荧光开关响应速度可调系统，包括单掺稀土透明材料1、第一激光器2、第二激光器3、多个镜片光学元件、第一探测器13、第二探测器14、光电倍增管10、激光信号调制器；所述多个镜片光学元件包括第一反射镜4、第二反射镜5、第一二色镜7、第一透镜8、第二透镜11、第二二色镜12、第三反射镜6、第三透镜9；所述第一激光器发出的激光经第一反射镜、第二反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第一探测器接收；所述第二激光器发出的激光经第三反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第二探测器接收；所述单掺稀土透明材料在连续激光和脉冲激光的同时激发下产生上转换荧光，荧光经第三透镜后为光电倍增管接收。

所述第一激光器的激光波长对应双频激光同时激发单掺稀土透明材料的基态吸收波长；所述第二激光器的激光波长对应双频激光同时激发单掺稀土透明材料的激发态吸收波长。

两个激光器，当其中一个为连续激光输出时，另一个则为脉冲激光输出；利用激光信号调制器调制激光器的激光输出形式在两个激光器之间进行连续或脉冲信号切换，实现荧光响应速度可调。

本实施例以掺Er³⁺的透明微晶玻璃作为双频激光同时激发进行响应速度快慢可调的荧光调制光开光的介质，其双频激发上转换能级原理如图2中的a所示，以1530nm的激光作为基态吸收激光(对应第一激光器)，850nm的激光作为激发态吸收激光(对应第二激光器)，双频同时激发将产生高效的绿光发射，如图3所示。

本实施例的荧光开关响应速度可调系统的荧光响应速度的调制过程如下：

当固定1530nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制850nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为324μs的快速荧光开关调制，如图4(a)和4(c)所示。当固定850nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制1530nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为5.54ms的慢速荧光开关调制，如图4(b)和4(c)所示。

实施例2

本实施例以掺Tm³⁺的透明微晶玻璃作为双频激光同时激发进行响应速度快慢可调的荧光调制光开光的介质，其双频激发上转换能级原理如图2中的b所示，以800nm的激光作为基态吸收激光，1064nm激光作为激发态吸收激光，双频同时激发将产生高效的蓝光发射，如图5所示。

本实施例的荧光响应速度的调制过程如下：

当固定800nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制1064nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为388μs的快速荧光开关调制，如图6(a)和图6(c)所示。当固定1064nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制800nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为620μs的慢速荧光开关调制，如图6(b)和6(c)所示。

实施例3

本实施例以掺Ho³⁺的透明微晶玻璃作为双频激光同时激发进行响应速度快慢可调的荧光调制光开光的介质，其双频激发上转换能级原理如图2中的c所示。以1870nm激光作为基态吸收激光，980nm激光作为激发态吸收激光，双频同时激发将产生高效的红光发射，如图7所示。

本实施例的荧光响应速度的调制过程如下：

当固定1870nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制980nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为66μs的快速荧光开关调制，如图8(a)和8(c)所示。当固定980nm激光为连续光，利用激光信号调制器调制1870nm激光为脉冲光，即可获得响应速度为6.65ms的慢速荧光开关调制，如图8(b)和8(c)所示。

本发明的单掺稀土透明材料可为三价稀土离子单掺杂的微晶玻璃，光纤，透明晶体，透明陶瓷，透明薄膜，有机-无机复合透明体中的任意一种；稀土离子还可为图2中的d～g中所示的其他稀土离子，如Pr³⁺、Eu³⁺或Tb³⁺。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.荧光开关响应速度可调系统，其特征在于，包括单掺稀土透明材料、第一激光器、第二激光器、多个镜片光学元件、第一探测器、第二探测器、光电倍增管、激光信号调制器；

所述第一激光器的激光波长对应双频激发单掺稀土透明材料的基态吸收波长；

所述第二激光器的激光波长对应双频激发单掺稀土透明材料的激发态吸收波长；

所述第一激光器和第二激光器发出的两路激光经镜片光学元件聚焦到单掺稀土透明材料上，经镜片光学元件后分别由两个探测器接收；

所述多个镜片光学元件包括第一反射镜、第二反射镜、第一二色镜、第一透镜、第二透镜、第二二色镜、第三反射镜；

所述第一激光器发出的激光经第一反射镜、第二反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第一探测器接收；

所述第二激光器发出的激光经第三反射镜、第一二色镜、第一透镜后聚焦在单掺稀土透明材料上，再经第二透镜、第二二色镜后为第二探测器接收；

所述单掺稀土透明材料在连续激光和脉冲激光的同时激发下产生上转换荧光，荧光为光电倍增管接收；

两个激光器，当其中一个为连续激光输出时，另一个则为脉冲激光输出；利用激光信号调制器调制激光器的激光输出形式在两个激光器之间进行连续或脉冲信号切换，实现荧光响应速度可调。

2.根据权利要求1所述的荧光开关响应速度可调系统，其特征在于，所述单掺稀土透明材料、第一激光器、第二激光器、多个镜片光学元件、掺Er³⁺透明材料、第一探测器、第二探测器和光电倍增管按照几何光学光路走向排列，两路激光都聚焦成同一个光斑到单掺稀土透明材料上。

3.根据权利要求1所述的荧光开关响应速度可调系统，其特征在于，所述单掺稀土透明材料为三价稀土离子单掺杂的微晶玻璃，光纤，透明晶体，透明陶瓷，透明薄膜，有机-无机复合透明体中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的荧光开关响应速度可调系统，其特征在于，所述三价稀土离子为Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Pr³⁺、Eu³、Tb³⁺中的任意一种。

5.荧光开关响应速度调制方法，其特征在于，通过选择基态和激发态吸收波长的双频激光同时激发单掺稀土透明材料，促使单掺稀土透明材料产生上转换荧光发射，选择不同的激光泵浦方式即可获得不同响应速度的荧光开关，荧光开关的响应速度的调制是通过激光信号调制器对分别对应基态和激发态吸收波长的激光器进行连续或脉冲信号切换，具体的，当对应基态吸收波长的激光器为连续光信号时，对应激发态吸收波长的激光器则为脉冲信号，或者，当对应基态吸收波长的激光器为脉冲信号时，对应激发态吸收波长的激光器则为连续信号。

6.根据权利要求5的荧光开关响应速度调制方法，其特征在于，所述荧光开关包含单掺稀土透明材料，所述单掺稀土透明材料为三价稀土离子单掺杂的微晶玻璃，光纤，透明晶体，透明陶瓷，透明薄膜，有机-无机复合透明体中的任意一种；所述的开关响应速度快慢可调。