CN111689692B - 基于超低阈值多组分钬离子掺杂玻璃材料的微球腔激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：72TeO₂‑20ZnO‑5Na₂CO₃‑2Y₂O₃并掺杂浓度为1 mol%的Ho³⁺离子。本发明还提供了一种基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法和控制方法。本发明制备的微球腔表面完美，具有极高的Q值，制作出的激光器阈值极低，耦合效率大幅提高，有效解决了回音壁模式微腔激光器输出功率低和收集能效低的问题，可实现高效率的、低阈值的窄带宽光纤的中红外光纤微腔激光器。

Description

基于超低阈值多组分钬离子掺杂玻璃材料的微球腔激光器

技术领域

本发明涉及近红外激光器技术领域，尤其涉及一种基于超低阈值多组分钬离子掺杂玻璃材料的微球腔激光器。

背景技术

微球背景：光学微球腔，能够将光束缚很小的微球中，具有较高的能量密度和较小的模场体积，能够在微球腔中稳定传输的光学模式被称之为回音壁模式。英国科学家LordRayleigh研究声音在弯曲的圣保罗大教堂走廊上传播时，发现可以清晰地听见与自己相距很远的两个人在回廊的另外一端的窃窃私语，所以这个声音传播的模式被称为“耳语回廊模式”。事实上，在北京天坛的回音壁也有类似的现象。类似于声波在墙面反射，当光在从光密向光疏介质入射且入射角足够大时，也可以在两种介质表面发生全反射，那么在弯曲的高折射率介质界面也存在光学回音壁模式。在闭合腔体的边界内，光则可以一直被囚禁在腔体内部保持稳定的传输模式。利用微球腔的高Q值和微纳尺寸等优点，在量子电动力学，量子力学，计算机，线性现象，传感，激光器，耦合器和滤波器等方面都有很广泛的应用。

传统的回音壁光学微腔包括微环腔，球腔，瓶腔，盘腔和微泡腔，因为微球腔相比于其他的谐振腔更容易获得极高的品质因子，而且制作工艺已经成熟，能够更容易获得尺度在光波长量级的微球，在光纤激光器中的应用越来越广泛。

自1964年世界上第一代玻璃光纤激光器发明以来，光纤激光器在光纤通信，光电子学，线性光学，传感等领域愈来愈重要。光纤激光器具有制造成本低，集成化制作相对容易、整体体积小、输出波长可调谐等特点，适用于各种复杂的工作环境，功率等一系列优点，但相比于固体激光器，输出单模脉冲依旧较小，所以降低阈值，波长调谐范围变得尤为重要。从2005年至2010年来，光纤激光器的销售额每年以35%的速度迅速攀升。

关于稀土离子掺杂激光器的研究己经具有几十年的历史，但是在稀土离子掺杂下转换发光材料以具有优异的发光性能和良好的实用性能，在当前的发光材料领域仍然是一个研究热点。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于超低阈值多组分钬离子掺杂玻璃材料的微球腔激光器，解决现有微球激光器研制过程中微球品质低、泵浦阈值过高等问题。

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解决现有微球激光器研制过程中微球品质低、泵浦阈值过高等问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃并掺杂浓度为1mol%的Ho³⁺离子。

进一步地，所述Ho³⁺离子以HoF₃形式外掺引入。

本发明还提供了一种基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、 按化学式72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃并掺杂浓度为1 mol%的Ho³⁺离子的摩尔组成计算出高纯原料质量比后称量，经研磨搅拌，使各种原料充分混合；

步骤2、 将混合均匀的原料装入刚玉坩埚中加热；

步骤3、 将熔融的玻璃液拉丝、冷却后制成多组分掺杂的玻璃光纤；

步骤4、 利用二氧化碳激光器对所述玻璃光纤加热进行拉锥，得到锥形光纤；

步骤5、 调整所述二氧化碳激光器输出光的聚焦位置，将光束聚焦到所述锥形光纤的末端，使得所述锥形光纤末端向上收缩熔成一个微球；

步骤6、 利用熔融拉锥法制备一根直径1.5~3.0 μm的二氧化硅锥形光纤；

步骤7、 将所述微球和二氧化硅锥形光纤封装耦合，形成微球腔激光器。

进一步地，所述步骤1中所述研磨搅拌在球磨机中进行。

进一步地，所述步骤1中所述Ho³⁺离子以HoF₃形式外掺引入。

进一步地，所述步骤2中所述加热具体为：在800~900 ℃高温炉内加热60~120min。

进一步地，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1、 在所述玻璃光纤的末端挂上一个重物；

步骤4.2、 利用一个聚焦透镜将所述二氧化碳激光器输出的激光聚焦在所述玻璃光纤上；

步骤4.3、 缓慢增加所述二氧化碳激光器的功率，当所述玻璃光纤达到自身的软化点时，由于重物的作用，所述玻璃光纤缓慢的下坠，所述玻璃光纤直径逐渐减小，直至所述玻璃光纤末端的锥形直径小于10 μm，即可停止加热。

进一步地，所述步骤5中所述微球的直径可以通过控制所述步骤4中所述加热的次数改变。

进一步地，所述步骤7中所述封装耦合利用精密三维平台控制进行。

本发明又提供了一种基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、 将1150 nm单模泵浦光经过光路保护装置入射到二氧化硅锥形光纤一端；

步骤2、 利用精密三维平台，控制将所述锥形光纤和由摩尔组成按化学式表示为72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃并掺杂浓度为1 mol%的Ho³⁺离子的玻璃材料制成的微球实现耦合；

步骤3、 将所述锥形光纤中的泵浦光耦合到所述微球中形成回音壁模式，在所述微球腔的赤道面进行传输；

步骤4、 增加泵浦光源，在所述微球内部由于粒子数在掺杂离子能级上的反转，再耦合至所述二氧化硅锥形光纤另一端，形成窄带宽激光输出。

本发明的优点在于：

由CO₂激光器制备的，由表面张力效应形成的微球腔表面完美，具有极高的Q值，制作出的激光器阈值极低，克服了几十微米量级直径高Q值微球腔制作困难的问题。

采用微纳光纤耦合激光器的泵浦光注入并收集发射激光，耦合效率大幅提高，有效解决了回音壁模式微腔激光器输出功率低和收集能效低的问题。

本发明所选用的玻璃组分以及掺杂离子的阈值极低，目前为止从没有过如此低的微腔激光器被报道，本发明可实现高效率的，低阈值的窄带宽光纤的中红外光纤微腔激光器。

附图说明

图1 是本发明的一个较佳实施例的碲酸盐玻璃的吸收光谱；

图2 是本发明的一个较佳实施例的碲酸盐微球的实物照片；

图3 是本发明的一个较佳实施例的微球腔激光器的激光输出光谱图。

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。

本发明的目的是通过选择合适的玻璃基质以及合适的稀土离子，实现一种基于一种能够稳定输出激光、具有极低的阈值的多组分玻璃材料的，窄线宽的微球腔激光器。

本发明的一种基于超低阈值，高转换效率的微球腔激光器，包含基质玻璃的制备，离子的掺杂，微球的制备，耦合以及窄线宽激光的出射。

所用玻璃（掺杂钬离子的碲酸盐玻璃）基质的各原料的摩尔百分比为72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃-1HoF₃。掺杂钬离子浓度为1 mol%。同时制备好的玻璃测得吸收光谱如图1所示。

微腔激光器的制备过程包括玻璃的制备以及微球的制备，具体包括以下步骤：

将高纯度的原料按一定配比称量好，放在球磨机中搅拌，使各种原料充分混合；

然后将混合料装入刚玉坩埚中，置于850 ℃高温炉内加热90 min；

将熔融的玻璃液拉丝、冷却后制成光纤纤芯。利用二氧化碳激光器对多组分掺杂的玻璃光纤进行拉锥，在多组分玻璃光纤的末端挂上一个重物，利用一个聚焦透镜将二氧化碳激光器输出的激光聚焦在多组分掺杂的玻璃光纤上，缓慢增加二氧化碳激光器的功率，当玻璃光纤达到自身的软化点时，由于重物的作用，玻璃光纤缓慢的下坠，光纤直径逐渐减小，直至掺杂玻璃光纤末端的锥形直径为10 μm左右，即可停止加热，之后调整二氧化碳激光器输出光的聚焦位置，将光束聚焦到锥形光纤的末端，锥形玻璃光纤末端由于表面张力的缘故，开始向上收缩熔成一个小球，控制好加热的次数便可以获得想要的微球直径（如图2所示）。接着利用陶瓷拉锥设备制备一根2 μm左右粗细的普通二氧化硅锥形光纤。

最后将制备获得的普通单模光纤两端分别接到光源的输入系统和光源的收集系统中，用精密三维平台将控制多组分掺杂微球和二氧化硅锥形光纤的最细锥区相互靠近耦合，从而实现激光输出。

获得激光输出的具体原理：

单模激光光源输出1150nm泵浦光，经过光路保护装置（防止反射光进入光源）入射到普通单模二氧化硅锥形光纤中，由于锥形光纤最细的锥腰只有几个微米，这种波长尺度的光纤具有很强的倏逝场，利用一个精密的三维平台，控制好锥形光纤和微球的直径大小实现高效率的耦合，锥形光纤中的泵浦光耦合到微球中形成回音壁模式，在微球的赤道面进行传输，当Ho离子受到1150 nm泵浦光激发时，处于基态的⁵I₈（Ho³⁺）电子跃迁到激发态⁵I₆能级，再由⁵I₈能级传递到中间亚稳态能级⁵I₇能级，处于亚稳态能级的粒子持续积累，当粒子数高于基态的粒子数时，形成了粒子数反转，由自发辐射转变为受激辐射，辐射出一个2微米的光子（如图3所示）。

微球的高Q值使得微球内传输的1150 nm泵浦光很容易激发掺杂粒子的能级跃迁实现粒子数反转。

当泵浦阈值较低时，在微球内的1150nm泵浦波长不能够使粒子束反转形成稳定的激光输出，继续增加泵浦光源，在微球内部由于粒子数在掺杂离子能级上的反转形成激光输出，并且输出的激光要在微球中再次形成稳定传输的回音壁模式，通过三维平台调控锥形光纤和微球的耦合，可以从光谱仪中获得2080 nm的单模激光输出（如图3所示）。

相比于传统的光纤激光器，本发明提供了一种由表面张力形成完美表面的高Q值多组分玻璃微球腔，通过高耦合效率的光纤锥进行泵浦光注入和发射激光收集的玻璃回音壁模式激光器，该激光器具有极低的阈值。微球腔泵浦光的转换效率可以提高几个数量级，使得低阈值激光输出成为可能。其次，和拉制光纤不同，制作玻璃微球腔器件时，加热温度是在玻璃的熔融温度附近，且加热效率高，加热时间极短，可快速跳过玻璃的析晶温度，避免了二次加热时玻璃产生析晶现象。

实施例：

本实施例中使用的玻璃为摩尔百分比为72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃-1HoF₃，为了制备总重量为10g的熔融碲酸盐玻璃，其中各组分的质量依次为8.023g，1.1368g，0.37g，0.3153g，0.1549g。利用玻璃棒从熔融的碲酸盐玻璃中获得玻璃丝，并进一步制备成碲酸盐微球。连接1150nm激光器和石英拉锥光纤，并接上日本横河AQ6375B的光谱仪，打开1150nm激光器，增大功率，从光谱仪中获得2.08微米激光输出，其输出功率为53nW。

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 (8)

1.一种基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤1、按化学式72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃并掺杂浓度为1mol％的Ho³⁺离子的摩尔组成计算出高纯原料质量比后称量，经研磨搅拌，使各种原料充分混合；

步骤2、将混合均匀的原料装入刚玉坩埚中加热；

步骤3、将熔融的玻璃液拉丝、冷却后制成多组分掺杂的玻璃光纤；

步骤4、利用二氧化碳激光器对所述玻璃光纤加热进行拉锥，得到锥形光纤；

步骤5、调整所述二氧化碳激光器输出光的聚焦位置，将光束聚焦到所述锥形光纤的末端，使得所述锥形光纤末端向上收缩熔成一个微球；

步骤6、利用熔融拉锥法制备一根直径1.5～3.0μm的二氧化硅锥形光纤；

步骤7、将所述微球和二氧化硅锥形光纤封装耦合，形成微球腔激光器。

2.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述研磨搅拌在球磨机中进行。

3.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中所述Ho³⁺离子以HoF₃形式内掺引入。

4.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中所述加热具体为：在800～900℃高温炉内加热60～120min。

5.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体包括以下步骤：

步骤4.1、在所述玻璃光纤的末端挂上一个重物；

步骤4.2、利用一个聚焦透镜将所述二氧化碳激光器输出的激光聚焦在所述玻璃光纤上；

步骤4.3、缓慢增加所述二氧化碳激光器的功率，当所述玻璃光纤达到自身的软化点时，由于重物的作用，所述玻璃光纤缓慢的下坠，所述玻璃光纤直径逐渐减小，直至所述玻璃光纤末端的锥形直径小于10μm，即可停止加热。

6.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤5中所述微球的直径可以通过控制所述步骤4中所述加热的次数改变。

7.如权利要求1所述的基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的制备方法，其特征在于，所述步骤7中所述封装耦合利用精密三维平台控制进行。

8.一种基于超低阈值的多组分钬离子掺杂的玻璃材料的微球腔激光器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、将1150nm单模泵浦光经过光路保护装置入射到二氧化硅锥形光纤一端；

步骤2、利用精密三维平台，控制将所述锥形光纤和由摩尔组成按化学式表示为72TeO₂-20ZnO-5Na₂CO₃-2Y₂O₃并掺杂浓度为1mol％的Ho³⁺离子的玻璃材料制成的微球实现耦合；

步骤3、将所述锥形光纤中的泵浦光耦合到所述微球中形成回音壁模式，在所述微球腔的赤道面进行传输；

步骤4、增加泵浦光源，在所述微球内部由于粒子数在掺杂离子能级上的反转，再耦合至所述二氧化硅锥形光纤另一端，形成窄带宽激光输出。

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