CN110510884A - 一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法 - Google Patents

一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于通信光学和集成光学领域，具体涉及实现通信波段的激光发射一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法。本方法包括如下步骤，1：将玻璃原料按照摩尔百分比为：70TeO2‑20BaF2‑9.9Y2O3‑0.1Er2O3的比例称量好，放在玛瑙研钵中充分搅拌10分钟；2：将混合料装入刚玉坩埚中，不加盖，置于手套箱的高温炉内950℃保温2h；3：将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，进行退火处理，3h后冷却至室温；4：用CO2激光器加热玻璃纤维，制备成微球，直径在80微米；5：在980nm激光泵浦下，采用拉锥光纤耦合的方法在微球中输出1.56微米激光。这种激光器具有低阈值，高Q值，结构简单等优点，未来可应用于集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域。

Description

一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法
技术领域
本发明属于通信光学和集成光学领域，具体涉及实现通信波段的激光发射一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法。
背景技术
在光信息科学发展的道路上，对光的感知、传输和控制提出了越来越高的要求，而传统的光子学器件显然不能满足需要，能够传输和操纵光信息的新型光子学器件受到人们关注。在众多的光子学平台当中，回音壁模式(WGM)微腔由于具有极高的品质因子(Q值)和极小的模式体积(V)，增强了光-物质之间的相互作用，为大量基础物理研究和应用光子学器件研发提供了一个非常棒的平台，在光学通信、传感、微波光子学和量子计算等领域有重要应用。基于WGM微腔平台，我们可以产生、感知、传输和调控光信息，且随着微纳加工和封装技术的完善，微腔平台可以向微型化、实用化方向发展。直径几微米到几百微米的低吸收电介质玻璃微球一种天然光学谐振腔，因其具有极高的品质因数Q(石英基质可达1010)和极小的模式体积Vm而引起广泛关注。其具有的优异特性源于在腔内存在回音壁模式(Whispering Gallery Mode,WGM)—入射光束在腔内发生全内反射，被约束在“赤道”平面附近并沿大圆绕行，当其相位满足一定相位匹配条件时，可以互相叠加而增强。玻璃微球腔特性不仅优于F-B腔等传统谐振腔，相比于微环、微柱和微盘等其他结构光学谐振腔，微球腔也具有制备简单，光能量存储时间最长等特性。基于以上优良特性，玻璃微球在极低阈值激光器、高灵敏度传感器、非线性光学及腔量子电动力学效应等领域应用前景广阔。目前国内外开展用于微球腔实验的玻璃基质主要有石英玻璃、磷酸盐玻璃、氟化物玻璃、碲酸盐玻璃、硫系玻璃等。
对于稀土掺杂玻璃而言，拥有低声子能量的基质玻璃是获得高效率发光的一个重要因素，从而减小非辐射驰豫过程的发生。大多数的氧化物玻璃的声子能量(1100cm-1)相对较大。但是，氟碲酸盐玻璃具有声子能量较低的优势(约为780cm-1)，使掺杂的激活剂具有很高的量子效率。且氟碲酸盐玻璃的化学稳定性优于氟化物玻璃，易于制成微球微腔。另外，稀土离子在氟化物、硫酸盐、磷酸盐、硅酸盐等不同的玻璃基质中配位场不同，因此稀土离子的荧光特性及光谱性质也会不尽相同，基质对稀土离子的发光性质的影响一般体现在一下两个方向：一是使能级加宽,包括声子加宽和基质电场对能级微扰导致能级加宽，二是由于电场非均匀分布消除了稀土离子的能级简而引起Stark能级分裂。所以基质玻璃的选择就极为重要，一般选择基质玻璃遵循一下几点：1、具有优秀的机械性能、热稳定性和物理化学性能。2、稀土离子可在基质中具有高度溶解性，而且光谱性能较好。3、基质玻璃的最大声子能量较小。氟碲酸盐玻璃比起其它的基质玻璃优点是：声子能量较低，物理化学性能好，对稀土的溶解度高，受激发射截面大等特点，所以具有非常高的增益效果，而且其熔点低，在低温下便可制备微球。
对于稀土离子掺杂的基质玻璃材料，由于熔点较低，因此制备微球方式相对较多。实验室有三种成球的方法。包括使用酒精灯或氢氧焰直接加热成球，电弧放电成球以及CO2激光器加工成球。三种方法中，由于前两种方法的加热源热场范围大，温度难以调控，因此很难加出直径小于200μm的微球腔，当有源微球腔尺寸过高时，表面质量容易劣化，表面劣化主要来源是析晶、粘附、表面裂纹等。因此本发明主要采用CO2激光器微加工的方式制备微球腔，CO2激光器是一种加热场很小且可控的加热源。为产生微球激光，耦合是很关键的步骤。微球腔的耦合方式有很多种，包括棱镜耦合、空间光耦合、微纳光纤倏逝场耦合等方式。其中，微纳光纤具有耦合效率高、成本低廉、易于制备等优势，因此是目前微球腔耦合领域中广泛使用的波导结构。在对通信容量需求快速增加、光器件小型化趋势日益明显的今天，玻璃微球以其极高的品质因数和极小的模式体积特性在低阈值激光发射、集成光学、非线性光纤、传感和量子通讯等领域有着广阔的发展前景。目前微球微腔谐振器研究总体水平还处于理论和实验阶段，但随着相关制备工艺、耦合和集成技术等不断改进和完善，微球微腔谐振器会将被广泛的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将玻璃原料按照摩尔百分比为：70TeO2-20BaF2-9.9Y2O3-0.1Er2O3的比例称量好，放在玛瑙研钵中充分搅拌10分钟；
步骤2：将混合料装入刚玉坩埚中，不加盖，置于手套箱的高温炉内950℃保温2h；
步骤3：将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，进行退火处理，3h后冷却至室温；
步骤4：用CO2激光器加热玻璃纤维，制备成微球，直径在80微米；
步骤5：在980nm激光泵浦下，采用拉锥光纤耦合的方法在微球中输出1.56微米激光。
本发明的有益效果在于：这种激光器具有低阈值，高Q值，结构简单等优点，未来可应用于集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域。
附图说明
图1是微球激光器实验光路图；
图2是微球激光器在1560nm波段的多模激光发射光谱；
图3是在波长为980nm激光泵浦下的微球激光器的激光发射光谱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
本发明涉及一种新型的Er3+离子掺杂氟碲酸盐玻璃微球激光器。可以在近红外泵浦源泵浦下，实现超低阈值1.56微米的荧光以及激光发射。该波长在通信光学和集成光学领域有重要应用。
本发明包括以下内容：
1.玻璃材料的制备：将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：70TeO2-20BaF2-9.9Y2O3-0.1Er2O3的比例称量好，放在玛瑙研钵中充分搅拌10分钟，使各原料充分混合。然后装入刚玉坩埚中，不加盖，在950摄氏度的高温炉中保温2小时，然后倒在预热过的铜板上，进行退火。
2.微球激光器的制备：将上述组分的玻璃拉制成玻璃纤维，然后用CO2激光器加热玻璃纤维，使之融化缩成玻璃微球。然后通过拉锥光纤将泵浦光源耦合到微球中，实现1.56微米微球激光的输出。
本发明提供的是一种铒离子掺杂的氟碲微球微球激光器的制备方法。包括块状玻璃样品的制备以及微球激光器的制备。所制备的玻璃以及微球激光器的组分相同：(mol％)70TeO2-20BaF2-9.9Y2O3-0.1Er2O3.在980nm激光激发下，玻璃样品中产生了强烈的1.56微米荧光的发射，同时在微球激光器中，我们检测到了1.56微米的单模激光发射。
样品的制备包括以下步骤：
(1)将高纯度的原料按一定配比称量好，放在玛瑙研钵中进行研磨，使各种原料充分混合；
(2)然后将混合料装入刚玉坩埚中，置于手套箱的高温炉内950℃保温2h；
(3)将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，进行退火处理，3h后冷却至室温；
(4)用CO2激光器加热玻璃纤维，制备成微球，直径在80微米左右。
(5)在980nm激光泵浦下，采用拉锥光纤耦合的方法在微球中实现1.56微米激光的输出。

Claims (1)

1.一种铒离子掺杂的氟碲酸盐微球激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将玻璃原料按照摩尔百分比为：70TeO2-20BaF2-9.9Y2O3-0.1Er2O3的比例称量好，放在玛瑙研钵中充分搅拌10分钟；
步骤2：将混合料装入刚玉坩埚中，不加盖，置于手套箱的高温炉内950℃保温2h；
步骤3：将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，进行退火处理，3h后冷却至室温；
步骤4：用CO2激光器加热玻璃纤维，制备成微球，直径在80微米；
步骤5：在980nm激光泵浦下，采用拉锥光纤耦合的方法在微球中输出1.56微米激光。
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