CN111662013A - 基于钬铥离子共掺杂的zbya玻璃微球的三波长激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器，具体公开了一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃材料，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：50ZrF₄‑33BaF₂‑8.5YF₃‑7AlF₃，并掺杂浓度0.5 mol%的Ho³⁺离子和1 mol%的Tm³⁺离子，以上各组成摩尔百分比之和为100%。还公开了一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法以及一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的制备方法和调节方法。本发明具有低阈值、高Q值，且结构简单，可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化，并可以应用于集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域。

Description

基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器。

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（Whispering Gallery Mode, 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是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V_m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（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，从而减小非辐射弛豫过程的发生。氟化物玻璃具有声子能量较低的优势（约为580cm^-1），使掺杂的激活剂具有很高的量子效率。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并而引起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。氟锆酸盐玻璃比起其它的基质玻璃优点是：声子能量低，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。以ZBLAN（ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF）氟化物玻璃为例，近年来ZBLAN玻璃光纤获得了广泛研究且已发展成熟，并且已经实现商用化，以ZBLAN光纤为基质的中红外激光器被中外学者们广泛研究。尽管如此，ZBLAN还存在着化学稳定性差、机械强度低、极易潮解等缺点，主要是由于ZBLAN玻璃组分中含有NaF，Na离子有易吸水的化学性质。因此，我们自制了ZBYA（ZrF₄-BaF₂-YF₃-AlF₃）氟化物玻璃，既保留了氟锆酸盐玻璃的优点，又克服了易潮解等缺点。

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200 μm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。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器，可以应用于集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何制备一种基于掺Ho³⁺/Tm³⁺的ZBYA氟化物玻璃基质的微球激光器，实现3个波段的激光发射，实现1507 nm、1833 nm、2074 nm激光的输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃材料，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：50ZrF₄-33BaF₂-8.5YF₃-7AlF₃，并掺杂浓度0.5 mol%的Ho^{3 +}离子和1 mol%的Tm³⁺离子，以上各组成摩尔百分比之和为100%。

进一步地，所述Ho³⁺离子以HoF₃形式内掺引入。

进一步地，所述Tm³⁺离子以TmF₃形式内掺引入。

另一方面，本发明提供了一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、 按化学式50ZrF₄-33BaF₂-8.5YF₃-7AlF₃，并掺杂浓度0.5 mol%的Ho³⁺离子和1mol%的Tm³⁺离子的摩尔组成计算出高纯原料质量比后称量，在玛瑙研钵中进行研磨并充分混合均匀；

步骤2、 将混合均匀的原料倒入铂金坩埚中，置于手套箱的高温炉内800~900 ℃保温1~3 h；

步骤3、 将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，从熔融的玻璃液中进行拉丝、冷却后制成钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃纤维；

步骤4、 用CO₂激光器加热所述ZBYA玻璃纤维，制备成微球。

进一步地，所述步骤1中的所述Ho³⁺离子以HoF₃形式内掺引入。

进一步地，所述步骤1中的所述Tm³⁺离子以TmF₃形式内掺引入。

进一步地，所述步骤4中的制备成的所述微球的直径为40~80微米。

另一方面，本发明提供了一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、 将单模光纤拉锥到直径1~3 μm，制备成拉锥光纤；

步骤2、 将所述拉锥光纤两端分别连接泵浦光源和光谱分析仪；

步骤3、 将所述拉锥光纤和钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球处于临近接触状态，利用光纤锥产生的倏逝场将激光耦合进出所述微球。

进一步地，所述步骤2中所述泵浦光源为793 nm半导体激光器。

另一方面，本发明提供了一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的调节方法，所述调节方法包括以下步骤：

步骤1、将拉锥光纤和钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球进行耦合，调节耦合位置使二者处于临近接触状态；

步骤2、提高泵浦光源的泵浦功率，使得三波长激光先后出现。

本发明的有益效果是：

本发明具有低阈值、高Q值，且结构简单，可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化。

本发明得到的1.5微米、1.8微米、2.1微米激光，可以应用于集成光子学、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 是本发明的一个较佳实施例的微球激光器的光路示意图；

图2 是本发明的一个较佳实施例的微球激光器在1507 nm、1833 nm、2074 nm三个波段的激光发射光谱图；

图3 是本发明的一个较佳实施例的微球激光器的三波长激光的斜率效率光谱。

其中：1-半导体激光器，2-笔记本电脑，3-CCD相机，4-微球，5-拉锥光纤，6-光谱分析仪。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例1：

1、制备掺Ho³⁺/Tm³⁺的ZBYA氟化物玻璃及光纤：

(1) 将高纯度的原料按50ZrF₄-33BaF₂-8.5YF₃-7AlF₃-0.5HoF₃-1TmF₃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) 然后将混合料装入铂金坩埚中，置于手套箱的高温炉内850 ℃保温2 h；

(3) 将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，从熔融的玻璃液中进行拉丝、冷却后制成钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃纤维；

2、利用CO₂激光器在ZBYA光纤一端烧成微球：

用CO₂激光器加热ZBYA玻璃纤维，制备成微球，直径在60微米左右。

3、将单模光纤拉锥到直径1.5 μm左右，如图1所示，拉锥光纤5两端分别连接 793nm半导体激光器1和光谱分析仪6。

4、将微球4与拉锥光纤5进行耦合，调节耦合位置使二者处于临近接触状态；

5、在微球4的位置上方固定一个CCD相机3，并将CCD相机3连接笔记本电脑2，通过电脑软件对采集数据进行分析。

6、提高793 nm半导体激光器1的泵浦功率，2074 nm、1507 nm、1833 nm激光先后出现，其光谱图和斜率效率图如图2、3所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃材料，其特征在于，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：50ZrF₄-33BaF₂-8.5YF₃-7AlF₃，并掺杂浓度0.5 mol%的Ho³⁺离子和1 mol%的Tm³⁺离子，以上各组成摩尔百分比之和为100%。

2.如权利要求1所述的钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃材料，其特征在于，所述Ho³⁺离子以HoF₃形式内掺引入。

3.如权利要求1所述的钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃材料，其特征在于，所述Tm³⁺离子以TmF₃形式内掺引入。

4.一种钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、 按化学式50ZrF₄-33BaF₂-8.5YF₃-7AlF₃，并掺杂浓度0.5 mol%的Ho³⁺离子和1mol%的Tm³⁺离子的摩尔组成计算出高纯原料质量比后称量，在玛瑙研钵中进行研磨并充分混合均匀；

步骤2、 将混合均匀的原料倒入铂金坩埚中，置于手套箱的高温炉内800~900 ℃保温1~3 h；

步骤3、 将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，从熔融的玻璃液中进行拉丝、冷却后制成钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃纤维；

步骤4、 用CO₂激光器加热所述ZBYA玻璃纤维，制备成微球。

5.如权利要求4所述的钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的所述Ho³⁺离子以HoF₃形式内掺引入。

6.如权利要求4所述的钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的所述Tm³⁺离子以TmF₃形式内掺引入。

7.如权利要求4所述的钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的制备方法，其特征在于，所述步骤4中的制备成的所述微球的直径为40~80微米。

8.一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、 将单模光纤拉锥到直径1~3 μm，制备成拉锥光纤；

步骤2、 将所述拉锥光纤两端分别连接泵浦光源和光谱分析仪；

步骤3、 将所述拉锥光纤和钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球处于临近接触状态，利用光纤锥产生的倏逝场将激光耦合进出所述微球。

9.如权利要求8所述的基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所述泵浦光源为793 nm半导体激光器。

10.一种基于钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球的三波长激光器的调节方法，其特征在于，所述调节方法包括以下步骤：

步骤1、 将拉锥光纤和钬铥离子共掺杂的ZBYA玻璃微球进行耦合，调节耦合位置使二者处于临近接触状态；

步骤2、提高泵浦光源的泵浦功率，使得三波长激光先后出现。

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