CN112271548A - 一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成光学技术领域，尤其是一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，现提出如下方案，其包括以下步骤：玻璃材料的制备：S1、将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：68SiO2‑16KF‑16ZnF2的比例称量好，放在球磨机中充分搅拌，使各原料充分混合；S2、将S1步骤中混合的原料装入坩埚中，加盖，再放入1550摄氏度的高温炉中保温30分钟；S3、取一块铜板进行预热；S4、将融化后的玻璃材料从高温炉中取出；S5、将从高温炉中取出的玻璃材料倒在预热过的铜板上，然后再压制成块状玻璃样品。本发明采用合适的玻璃基质以及合适的稀土离子，实现近红外发射，并将该玻璃材料制备成微球激光器，实现了2.0微米激光的输出。

Description

一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法
技术领域
本发明涉及集成光学领域，尤其涉及一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法。
背景技术
微球激光是基于回音壁模式的微腔激光。它具有极高的品质因子和极小的模式体积以及非常宽的频段覆盖能力, 同时又有对压力、温度等非常敏感的特性 ,它可以应用于微腔量子电动力学、光纤通讯、传感器、非线形光学、低阈值激光器和量子光学等领域。微球激光的研究近几年发展迅速, 例如美国加州理工学院实验组用锥形光纤与微球腔近场耦合, 其效率达7 %。各种不同形状和不同耦合方式的微腔激光器相继问世。
微球腔的特点，光学微腔是指线度在微米的光学介电谐振器。通常使用的介电材料是光学玻璃。微腔型式有多边棱镜、微型圆柱、圆盘、圆环、球等多。几种型式微腔的研究和应用过去已有较多的报导, 而近年来, 微球腔的研究和应用却日益增多。微球激光就是利用高Q值回音壁模式的介质微球腔而获得。所谓回音壁模式就是指耦合进入微球内的光波在微腔内表面不断进行全反射, 从而被约束在球内并沿球的赤道面上的大圆绕行。绕行的光波满足一定相位匹配条件时, 可以相互叠加增强。而在球外的光场为近场, 即局限于球表面附近的倏逝波。它是一种非传播波,光场的振幅在矢径方向指数下降,因此从球内透出到球外的平均能流为零。这就使回音壁模式下的微球具有极高的品质因数和极小的模式体积。品质因数定义为: =λ/Δ ,其中λ为谐振频率, Δ为能量频谱中谐振峰的频带宽度。对小尺寸微球,在微球直径与光波波长之比不大于的条件下, 品质因数主要由微腔表面曲率导致的本征辐射损失决定。
虽然玻璃微球及微球激光器研究已有近２０年历史，但是玻璃微球基础研究及应用总体还处于起步阶段，存在许多不足以及亟需解决的问题，表现在：1.有源玻璃微球所涉及的稀土离子目前只有Nd3+,Er3+,Yb3+和Tm3+四种稀土离子，其他稀土离子掺杂尚未涉及。2.微球激光阈值与微球直径大小、掺杂离子和掺杂浓度等参数之间尚未建立关联变化规律关系。3.已报道的多组分玻璃微球腔的品质因子一般为104-105而石英玻璃微球腔Ｑ值约为108，离理论极限1010还有很大差距。如何降低材料损耗、制备完美结构的玻璃微球、高效激发WGM 特定光学模式，从而获得稳定的光学微腔共振谱且具有极高Ｑ 值成为今后研究的关键所在。4.玻璃微球与传统光纤、波导等光通信器件的耦合与集成技术也是玻璃微球激光器今后是否能在光通信、传感领域商业应用的关键问题。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。目前玻璃微球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，玻璃微球必将在未来大有用武之地，为此，本方案提出了一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法。
发明内容
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，实现近红外发射; 并将该玻璃材料制备成微球激光器，实现2.0微米激光的输出。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，包括以下步骤：玻璃材料的制备：S1、将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：68SiO2-16KF-16ZnF2 的比例称量好，放在球磨机中充分搅拌，使各原料充分混合；
S2、将S1步骤中混合的原料装入坩埚中，加盖，再放入1550摄氏度的高温炉中保温30分钟；
S3、取一块铜板进行预热；
S4、将融化后的玻璃材料从高温炉中取出；
S5、将从高温炉中取出的玻璃材料倒在预热过的铜板上，然后再压制成块状玻璃样品；
S6、将S5中制得的玻璃样品置于退火炉中进行退火处理，以消除玻璃中的应力，3h后冷却至室温；微球激光器的制备：
步骤一、将S5步骤中的玻璃样品拉制成玻璃纤维；
步骤二、用CO2激光器加热步骤一中制成的玻璃纤维，使之融化缩成玻璃微球；
步骤三、通过拉锥光纤将泵浦光源耦合到微球中，实现2.0微米微球激光的输出。
优选的，所述S2中使用的坩埚为铂金坩埚。
优选的，所述泵浦光源的波长为808 nm。
优选的，所述S1中的搅拌时间为10-20分钟。
本发明的有益效果：
1、通过选择合适的玻璃基质以及合适的稀土离子，实现近红外发射。
2、在808 nm激光泵浦下，在微球中实现2.0微米激光的输出。
本发明采用合适的玻璃基质以及合适的稀土离子，实现近红外发射，并将该玻璃材料制备成微球激光器，实现了2.0微米激光的输出。
附图说明
图1为本发明微球激光器在近红外波段的激光发射光谱图。
图2为本发明制备的微球激光器在显微镜下的图片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1-2，一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，包括以下步骤：玻璃材料的制备：S1、将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：68SiO2-16KF-16ZnF2 的比例称量好，放在球磨机中充分搅拌10-20分钟，使各原料充分混合；
S2、将S1步骤中混合的原料装入铂金坩埚中，加盖，再放入1550摄氏度的高温炉中保温30分钟；
S3、取一块铜板进行预热；
S4、将融化后的玻璃材料从高温炉中取出；
S5、将从高温炉中取出的玻璃材料倒在预热过的铜板上，然后再压制成块状玻璃样品；
S6、将S5中制得的玻璃样品置于退火炉中进行退火处理，以消除玻璃中的应力，3h后冷却至室温；微球激光器的制备：
步骤一、将S6步骤中的玻璃样品拉制成玻璃纤维；
步骤二、用CO2激光器加热步骤一中制成的玻璃纤维，使之融化缩成玻璃微球；
步骤三、通过拉锥光纤将808 nm的泵浦光源耦合到微球中，实现2.0微米微球激光的输出。
工作原理：首先将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：68SiO2-16KF-16ZnF2 的比例称量好，放在球磨机中充分搅拌10-20分钟，使各原料充分混合，然后再将混合好的原料装入铂金坩埚中，加盖，再放入1550摄氏度的高温炉中保温30分钟，之后再取出一块铜板进行预热，30分钟后将融化后的玻璃材料从高温炉中取出倒在预热过的铜板上，然后再压制成块状玻璃样品，然后再制得的玻璃样品置于退火炉中进行退火处理，以消除玻璃中的应力，3h后冷却至室温，玻璃样品冷却后再将其拉制成玻璃纤维，然后用CO2激光器加热步骤一中制成的玻璃纤维，使之融化缩成玻璃微球，最后再通过拉锥光纤将808 nm的泵浦光源耦合到微球中，最终实现2.0微米微球激光的输出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“ 顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、 “第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，包括以下步骤：玻璃材料的制备：S1、将各种玻璃原料按照摩尔百分比为：68SiO2-16KF-16ZnF2 的比例称量好，放在球磨机中充分搅拌，使各原料充分混合；
S2、将S1步骤中混合的原料装入坩埚中，加盖，再放入1550摄氏度的高温炉中保温30分钟；
S3、取一块铜板进行预热；
S4、将融化后的玻璃材料从高温炉中取出；
S5、将从高温炉中取出的玻璃材料倒在预热过的铜板上，然后再压制成块状玻璃样品；
S6、将S5中制得的玻璃样品置于退火炉中进行退火处理，以消除玻璃中的应力，3h后冷却至室温；微球激光器的制备：
步骤一、将S5步骤中的玻璃样品拉制成玻璃纤维；
步骤二、用CO2激光器加热步骤一中制成的玻璃纤维，使之融化缩成玻璃微球；
步骤三、通过拉锥光纤将泵浦光源耦合到微球中，实现2.0微米微球激光的输出。
2.根据权利要求1所述的一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，其特征在于，所述S2中使用的坩埚为铂金坩埚。
3.根据权利要求1所述的一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，其特征在于，所述泵浦光源的波长为808 nm。
4.根据权利要求1所述的一种Ho3+离子掺杂的近红外微球激光器的制备方法，其特征在于，所述S1中的搅拌时间为10-20分钟。
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