CN113497401A - 一种稀土掺杂光学微腔及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电技术领域，具体涉及一种稀土掺杂光学微腔及其制备方法。本发明制备方法，包括以下步骤：(1)将除去涂覆层的单模光纤固定，并用激光烧蚀成瓶腔；(2)将高分子聚合物和稀土元素化合物溶解于有机溶剂中获得混合溶液，将瓶腔浸入混合溶液中，随后将其从混合溶液中提出，获得在表面覆盖高分子薄膜的瓶腔；(3)将表面覆盖高分子薄膜的瓶腔通过激光加热熔融成球腔。本发明先利用薄膜的吸附作用，在瓶腔表面形成一层均匀的掺杂稀土元素的薄膜，然后用激光将薄膜烧蚀、去除，将稀土元素均匀地掺杂至微腔中，最后实现了超高Q值的掺杂微腔。

Description

一种稀土掺杂光学微腔及其制备方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体涉及一种稀土掺杂光学微腔及其制备方法。
背景技术
低阈值、窄线宽的微型激光器是当今基础研究和技术应用的前沿方向之一。近年来，基于氧化硅的超高Q回音壁模式光学微腔在非线性光学、腔光力学、微型激光器、光学传感等方面受到极大关注。此外，稀土元素的发光可覆盖从紫外到近红外区域，在激光应用方面有广阔前景。如果能将稀土元素均匀地掺杂至微腔中，且维持其超高Q值，则可以实现超低阈值的窄线宽微型激光器。传统的稀土元素掺杂方法包括离子注入法和溶胶凝胶法。离子注入法，成本较高且会对微腔产生物理性损伤。基于溶胶凝胶法制备稀土掺杂微腔的成本较低，但是容易造成微腔表面的裂痕和缺陷。基于这两种方法制备的掺铒微腔Q值都在十的七次方量级。因此，寻求一种更加均匀的稀土掺杂方法，以实现超高的掺杂微腔Q值，是实现低阈值、窄线宽微型激光器的关键。
CN102530852A公开了利用飞秒激光制备三维光学回音壁模式微腔的方法，包括对透明材料飞秒激光辐照、化学腐蚀和二氧化碳激光退火等步骤。CN103738915B公开了三维晶体光学回音壁微腔的制备方法，包括对浸没在液体中的晶体进行飞秒激光选择性烧蚀和利用聚焦离子束研磨微腔侧壁。上述技术方案制备的三维的光学回音壁模式微腔，尺寸可控，微腔的轮廓为微环形结构，表面光洁度极高，品质因子很高，但Q值相比传统技术差异不大，还存在改进空间。
综上所述，现有技术仍缺乏一种Q值超过十的七次方量级的高Q光学微腔的制备方法。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种稀土掺杂光学微腔的制备方法，其目的在于通过溶胶凝胶法的基础上增加了高分子薄膜，先利用薄膜的吸附作用，在瓶腔表面形成一层均匀的掺杂稀土元素的薄膜，然后用激光将薄膜烧蚀、去除，并且使稀土元素均匀地掺杂至微腔中，最后获得了稀土元素均匀掺杂的光学微腔，实现超高的掺杂微腔Q值，由此解决微腔Q值不高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种稀土掺杂光学微腔的制备方法，包括以下步骤：
(1)将除去涂覆层的单模光纤固定，并用激光烧蚀成瓶腔；
(2)将高分子聚合物和稀土元素化合物溶解于有机溶剂中获得混合溶液，将瓶腔浸入混合溶液中，随后将其从混合溶液中提出，获得在表面覆盖高分子薄膜的瓶腔；
(3)将表面覆盖高分子薄膜的瓶腔通过激光加热熔融成球腔，即可获得所述稀土掺杂光学微腔。
作为优选，所述高分子聚合物为聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜和聚氨基甲酸酯中的一种。
作为优选，步骤(1)和步骤(3)中所述激光为二氧化碳激光，激光功率为300mW-600mW。
作为优选，所述二氧化碳激光的光束聚焦于单模光纤处。
作为优选，所述二氧化碳激光光束垂直入射于单模光纤的表面。
作为优选，所述溶剂为丙酮、乙醇和石油醚中的至少一种。
作为优选，所述稀土元素化合物中的稀土元素为铒、铥、镱和钕中的至少一种。
按照本发明的另一方面，提供了一种稀土掺杂光学微腔，根据前面所述的制备方法制备而成。
本发明的有益效果有：
(1)本发明先利用薄膜的吸附作用，在瓶腔表面形成一层均匀的掺杂稀土元素的薄膜，然后用激光将薄膜烧蚀、去除，将稀土元素均匀地掺杂至微腔中，最后实现了超高Q值的掺杂微腔。
(2)本发明可以将稀土元素极其均匀地掺杂至微腔中，避免由于稀土元素团簇而导致的散射损耗，提高掺杂微腔Q值，基于本发明所制备出的稀土掺杂的超高Q微腔可实现超低的激射阈值和超窄的激光线宽。
(3)本发明的制备技术灵活、高效，且成本极低，制备出的超高Q的稀土掺杂微腔也可应用于超高灵敏度分子探测和超长光子寿命光存储。
附图说明
图1是实施例1中步骤(1)的制备示意图；
图2是实施例1中步骤(2)的制备示意图；
图3是实施例1中步骤(3)的制备示意图；
图4是实施例1制备获得的高Q稀土掺杂光学微腔示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：单模光纤1、激光光束2、混合溶液3、表面覆盖高分子薄膜4、球腔5。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
一种稀土掺杂光学微腔，通过以下方法制备而成：
(1)被剥去涂覆层的单模光纤1被固定在支架上，利用聚焦的二氧化碳激光束2对其进行加热熔融，如图1所示，其中二氧化碳激光波长为10.6微米。在单模光纤自身重力作用下，在光束聚焦处以300mW二氧化碳激光功率加热，光纤会被拉细至5微米直径左右。最后利用激光在下方将单模光纤加热熔断，形成直径为50微米的瓶状回音壁模式光学微腔。
(2)将制备的瓶腔浸入聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、五水硝酸铒、丙酮的混合溶液3中，然后从混合溶液3中提取出来，获得表面覆盖高分子薄膜4的瓶腔，如图2所示，该混合溶液是将PMMA、五水硝酸铒、丙酮按照质量比1:16:416充分混合而成。
(3)以300mW二氧化碳激光功率将瓶腔表面的PMMA薄膜4加热二十秒，如图3所示，将其去除，继续提高二氧化碳激光功率，将瓶腔加热至熔融，在表面张力作用下形成球腔，并将稀土元素熔融至微球中。最后获得了直径为60微米的超高Q稀土掺杂光学微腔5，如图4所示。
实施例2
本实施例与实施例1不同之处，二氧化碳激光器的功率不同，具体为600mW。
实施例3
本实施例与实施例1不同之处，混合溶液3中稀土元素化合物不同，具体为混合溶液是将PMMA、五水硝酸镱、丙酮按照质量比1:16:100充分混合而成。
对比实施例1
本实施例与实施例1不同之处在于，步骤(2)混合溶液3中并没有使用高分子聚合物薄膜。
测试实施例
将实施例1和对比实施例1制备的光学微腔进行Q值测试，测试方法为采用窄线宽可调谐激光器对微腔透射谱线进行测量。具体操作为，通过直径在2微米左右的拉锥光纤与微腔耦合，再利用函数发生器产生一个50Hz的三角波加载到窄线宽可调谐激光器上进行波长调制，使其出射激光波长在30GHz以内来回扫动，测得微腔的透射谱。最后通过洛伦茨拟合，可以获得微腔的Q值，测试结果如表1所示。
表1Q值测试结果表
实施例 Q值
实施例1 1.34×10<sup>8</sup>
实施例2 1.16×10<sup>8</sup>
实施例3 2.35×10<sup>7</sup>
对比实施例1 2.12×10<sup>6</sup>
由表1可知，通过使用高分子聚合物薄膜对微腔进行辅助掺杂，可以将微腔的关键指标Q值提高两个量级，大大提高微腔激光器的性能。合适的二氧化碳激光器加工功率与溶液可优化所制备的微腔Q值。当溶液中聚合物浓度过低时，将使得成膜性质变差，在一定程度上降低掺杂微腔的Q值。而当二氧化碳激光器功率过高时，氧化硅容易在高温下气化，使得最终形成的微腔的表面相对粗糙，增加了光的散射损耗。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种稀土掺杂光学微腔的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将除去涂覆层的单模光纤固定，并用激光烧蚀成瓶腔；
(2)将高分子聚合物和稀土元素化合物溶解于有机溶剂中获得混合溶液，将瓶腔浸入混合溶液中，随后将其从混合溶液中提出，获得在表面覆盖高分子薄膜的瓶腔；
(3)将表面覆盖高分子薄膜的瓶腔通过激光加热熔融成球腔，即可获得所述稀土掺杂光学微腔。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述高分子聚合物为聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜和聚氨基甲酸酯中的一种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中所述激光为二氧化碳激光，激光功率为300mW-600mW。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳激光的光束聚焦于单模光纤处。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述二氧化碳激光光束垂直入射于单模光纤的表面。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述溶剂为丙酮、乙醇和石油醚中的至少一种。
7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述稀土元素化合物中的稀土元素为铒、铥、镱和钕中的至少一种。
8.一种稀土掺杂光学微腔，其特征在于，根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制备而成。
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