CN115189211A - 具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 - Google Patents
具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115189211A CN115189211A CN202210829696.3A CN202210829696A CN115189211A CN 115189211 A CN115189211 A CN 115189211A CN 202210829696 A CN202210829696 A CN 202210829696A CN 115189211 A CN115189211 A CN 115189211A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- glass
- laser
- microsphere
- doped
- microcrystalline glass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 143
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 title claims abstract description 99
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 26
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 24
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 24
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 21
- 239000006064 precursor glass Substances 0.000 claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims abstract description 17
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 14
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 14
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 claims abstract description 12
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 7
- 229910052761 rare earth metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- -1 rare earth ions Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 3
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 claims description 12
- 229910005191 Ga 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 10
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 8
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 6
- 229910018068 Li 2 O Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 14
- 238000011056 performance test Methods 0.000 abstract 1
- 238000010998 test method Methods 0.000 abstract 1
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 52
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 23
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 description 14
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 14
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 8
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 8
- 229910020068 MgAl Inorganic materials 0.000 description 7
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 4
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 4
- 229910001428 transition metal ion Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 3
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 3
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000005090 crystal field Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000005191 phase separation Methods 0.000 description 2
- 150000002910 rare earth metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 230000001235 sensitizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000013043 chemical agent Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 239000003446 ligand Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
- H01S3/06—Construction or shape of active medium
- H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03C—CHEMICAL COMPOSITION OF GLASSES, GLAZES OR VITREOUS ENAMELS; SURFACE TREATMENT OF GLASS; SURFACE TREATMENT OF FIBRES OR FILAMENTS MADE FROM GLASS, MINERALS OR SLAGS; JOINING GLASS TO GLASS OR OTHER MATERIALS
- C03C10/00—Devitrified glass ceramics, i.e. glass ceramics having a crystalline phase dispersed in a glassy phase and constituting at least 50% by weight of the total composition
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/1603—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth
- H01S3/1618—Solid materials characterised by an active (lasing) ion rare earth ytterbium
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/1601—Solid materials characterised by an active (lasing) ion
- H01S3/162—Solid materials characterised by an active (lasing) ion transition metal
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/14—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range characterised by the material used as the active medium
- H01S3/16—Solid materials
- H01S3/17—Solid materials amorphous, e.g. glass
- H01S3/176—Solid materials amorphous, e.g. glass silica or silicate glass
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Geochemistry & Mineralogy (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Glass Compositions (AREA)
Abstract
本发明公开了具有O波段激光发射性能的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器制备及测试方法，属于微型激光器技术领域。本发明的Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔的制备包括以下步骤：(1)在玻璃基质中外掺过渡金属Ni2+离子和稀土离子Yb3+，熔制得到前驱体玻璃；(2)将步骤(1)制备的前驱体玻璃研磨成粒径为0.1‑0.3mm的玻璃粉末，采用高温熔融法制成前驱体玻璃微球；(3)将步骤(2)制备的前驱体玻璃微球经原位析晶热处理，生成纳米晶相，制备得到Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔。对步骤(3)制备的Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔采用连续光泵浦锥形光纤耦合微球搭建光路并进行激光性能测试。本发明首次实现了Ni2+掺杂微晶玻璃微腔的制备及其在光纤通信低损耗O波段的激光有效发射。
Description
技术领域
本发明涉及微型激光器技术领域，具体涉及具有O波段激光发射性能的镍(Ni2+)掺杂透明微晶玻璃微球激光器。
背景技术
对比稀土离子的窄带发光特性，过渡金属Ni2+作为掺杂光学活性离子，由于d-d电子跃迁，具有独特的近红外超宽带自发发光特性，能够覆盖第二光学生物窗口(1000-1350nm)以及重要的光纤通讯窗口(1100-1700nm)。但过渡金属离子对晶体场环境非常敏感，因此必须选择合适的基质环境才可以产生超宽带发光。如果过渡金属离子直接掺杂在玻璃中，会因玻璃介质中畸变的配位场环境使得其非辐射跃迁的概率变大。透明微晶玻璃由于具有过渡金属离子依附的恰当晶体格位环境，又兼具玻璃容易大规模制备以及易加工的性能，因此掺杂过渡金属离子作为激活离子的透明微晶玻璃作为增益介质，在现代光纤通讯领域具有重要的应用前景。2005年日本丰田工业大学Yasutake Ohishi教授课题组报道了Ni2+掺杂的经典三元Li2O-Ga2O3-SiO2微晶玻璃体系，在该玻璃体系中成功析出了LiGa5O8纳米晶体，在976nm激光器激发下观察到了半宽值超过300nm、峰值位于1300nm的近红外超宽带荧光发光，Ni2+的荧光寿命分别为300K下500μs和5K下900μs，发光原因归于Ni2+进入到六配位八面体的LiGa5O8纳米晶体环境中的3T2g(3F)→3A2g(3F)能级跃迁[T.Suzuki,G.S.Murugan and Y.Ohishi,Appl.Phys.Lett.,2005,86:131903]。2006年以及2007年国内浙江大学邱建荣教授、周时凤教授、吴伯涛教授课题组相继分别报道了Ni2+掺杂的包含β-Ga2O3、ZnAl2O4、MgAl2O4纳米晶体的微晶玻璃的超宽带荧光发光[S.Zhou,H.Dong,G.Feng,B.Wu,H.Zeng and J.Qiu,Opt.Express,2007,15:5477-5481]。2008年以及2009年同样是浙江大学邱建荣教授、周时凤教授、吴伯涛教授课题组又分别相继报道了Yb3+/Ni2+，Cr3+/Ni2+，Bi/Ni2+等共掺杂的增强Ni2+近红外超宽带发光的办法，并对其能量传递及增强的机理作了详细的研究[B.Wu,J.Ruan,J.Ren,D.Chen,C.Zhu,S.Zhou,and J.Qiu,Appl.Phys.Lett.,2008,92:041110]。与此期间，周时凤教授还在国际上首次报道了Ni2+掺杂的β-Ga2O3透明微晶玻璃的近红外光放大的现象，为Ni2+掺杂的透明微晶玻璃在光纤方法器的实用化迈出了重要的一步[S.Zhou,N.Jiang,H.Dong,H.Zeng,J.Hao and J.Qiu,Nanotechnology,2008,19:015702]。2015年以及2016年国内宁波大学林常规研究员相继报道了Ni2+掺杂的包含KZnF3、K2SiF6、ZnF2透明微晶玻璃的近红外超宽带发光的研究，与之前报道的六配位的氧化物纳米晶体相比，Ni2+掺杂的六配位氟化物纳米晶体具有更宽的(1200-2400nm)近红外发光[C.Lin,L.Li,S.Dai,C.Liu,Z.Zhao,C.Bocker and C.Rüssel,J.Phys.Chem.C,2016,120:4556-4563]。2019年申请人课题组报道了Nd3+/Yb3+/Ni2+三掺的包含γ-Ga2O3纳米晶体的透明微晶玻璃，使用808nm激光器泵浦Nd3+，Yb3+作为能量传递的桥梁，大幅度提高了Ni2+的近红外宽带发光[Y.Zhang,X.Li,Z.Lai,R.Zhang,E.Lewis,A.I.Azmi,Z.Gao,X.Lu,Y.Chu,Y.Liu,Q.Chai,S.Sun,J.Ren and J.Zhang,J.Phys.Chem.C,2019,123:10021-10027]。2020年申请人课题组利用过冷态镓硅酸盐玻璃中独特的相位分离效应，和Au3+离子自我还原，通过简单的一步式热处理结晶工艺制备了Ni2+掺杂的包含Au/γ-Ga2O3纳米晶体的双相透明微晶玻璃，在显著增强Ni2+发光强度的同时，使用双波长复合光学装置验证光纤通讯波长1310nm的光放大现象的可行性[Z.Gao,H.Zhu,B.Sun,Y.Ji,X.Lu,H.Tian,J.Ren,S.Guo,J.Zhang,J.Yang,X.Meng and K.Tanaka,Photonics Research,2020,8:698-706]。
光纤通信是利用光作为信息载体，在纤芯中传输进行通信。然而并不是所有的光都适合光纤通信。光的波长不同，在光纤中的传输损耗也不同。为了尽可能减小损耗，保证传输效果，科研工作者一直在致力寻找最合适的光。研究者发现，1260nm-1360nm波长范围的光，由色散导致的信号失真最小，损耗最低，所以将这一波长范围采纳为早期的光通信波段，并命名为O-band(O波段)。
尽管目前在提高微晶玻璃中Ni2+近红外宽带自发发光方面已经取得了重要的进展，但是截止到现在，尚未有关于Ni2+掺杂透明微晶玻璃激光的报道。实现激光的发射必须满足同时具备泵浦源、谐振腔和增益介质。其中谐振腔的构建至关重要，基于回音壁模式(Whispering Gallery Mode，简称WGM)的玻璃微球腔品质因子高、阈值低、制备工艺简单、稳定性高、激光模式控制容易，已逐步发展成为一种性能优良的微型激光器。因此研究如何实现Ni2+掺杂透明微晶玻璃激光发射迫在敏捷。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一种具有O波段激光发射性能的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器。本发明首次实现了Ni2+在光纤通信低损耗波段的激光有效发射。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，具有O波段激光发射性能的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的制备方法，包括以下步骤：
(1)向玻璃基质中外掺过渡金属Ni2+离子和稀土离子Yb3+，熔制得到前驱体玻璃；
(2)将步骤(1)制备的前驱体玻璃研磨成粒径为0.1-0.3mm的玻璃粉末，采用高温熔融法制成前驱体玻璃微球；
(3)将步骤(2)制备的前驱体玻璃微球经原位析晶热处理，生成纳米晶相，制备得到Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔。
优选的，步骤(1)中，所述过渡金属Ni2+离子的用量占玻璃基质的摩尔百分比为0.1-0.5mol.％；所述稀土Yb3+离子的用量占玻璃基质的摩尔百分比为1.0-3.0mol.％。
过渡金属Ni2+离子和稀土Yb3+离子可以通过含有该离子的化合物作为原料进行加入。
优选的，步骤(1)中，所述玻璃基质的组成为如下(A)-(C)的任一种：
(A)玻璃基质，由SiO2、Ga2O3、Li2O按摩尔配比(60～70):(20～30):(10～15)组成；
(B)玻璃基质，由SiO2、Al2O3、ZnO、K2CO3按摩尔配比(55～60):(13～18):(15～20):(10～15)组成；
(C)玻璃基质，由SiO2、MgO、Al2O3、Na2CO3按摩尔配比(50～55):(15～20):(10～15):(15～20)组成。
优选的，步骤(1)中，熔制得到前驱体玻璃的条件为：熔制温度1500℃-1680℃，保温时间为1.5-2.0h，随后将溶液倒在预先加热过的铜板上进行淬冷，形成前驱体玻璃。
优选的，步骤(2)中，高温熔融法制备前驱体玻璃微球的条件为：将玻璃粉末从竖直管式炉的上部加料口中经充分雾化分散后引入炉体内进行熔制，熔制温度为800-1200℃，玻璃粉末熔化后在表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球。
优选的，步骤(3)中，原位析晶热处理的温度为600-800℃，热处理时间为5-10h。
优选的，步骤(3)中，经原位析晶热处理，生成Ga2O3或ZnAl2O4或MgAl2O4纳米晶相。
本发明的第二方面，提供上述制备方法制备的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器。
所述Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的尺寸为20-200μm。
本发明的第三方面，提供一种实现上述Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器激光发射的方法，包括以下步骤：
以980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，利用锥形光纤进行耦合，实现Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的激光发射；
所述锥形光纤的拉锥直径为0.8～5μm。
本发明的第四方面，提供上述Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器在O波段光纤通信中的应用。
本发明的有益效果：
(1)本申请制备的Ni2+掺杂和Yb3+/Ni2+共掺的透明微晶玻璃微球即兼具了谐振腔和增益介质。玻璃微球是一种优势明显的谐振腔，具有极高的品质因子(理论值可以达到1010)和极小的模式体积(量级约为100μm3)。掺杂在其内的Ni2+作为发光中心，因此同时兼具了谐振腔和增益介质的作用，保证了激光输出的可行性。
(2)本发明制备的过冷态硅酸盐玻璃具有独特的相位分离效应，兼具硅酸盐玻璃相良好的物理和化学稳定性以及Ga2O3或ZnAl2O4或MgAl2O4纳米晶相强晶体场环境，保证过渡金属Ni2+离子具有优异的超宽带近红外荧光发射特性。最为关键的是采用玻璃粉高温熔融和热处理原位晶化两步制备了微米级过渡金属Ni2+离子掺杂透明微晶玻璃微球作为谐振器和增益介质，采用连续光泵浦锥形光纤耦合微球激光测试方案，首次实现了Ni2+在光纤通信低损耗波段1310nm附近WGM激光有效发射。同时在本发明中还可以引入稀土离子Yb3+，显著提高了Ni2+在O波段(1260～1360nm)附近WGM激光出射效率和降低了激光阈值。
(3)与目前已报道的Ni2+掺杂微晶玻璃光纤相比，由于玻璃微球腔可以将光长时间约束在微米量级的腔内，加之采用的锥形光纤耦合微球腔测试方法，可以实现Ni2+在O波段(1260～1360nm)WGM激光的有效出射。而Ni2+掺杂微晶玻璃光纤由于损耗过大，无法实现Ni2 +激光的出射。
附图说明
图1：使用本发明所提出的方法制备的不同尺寸包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔显微镜下拍摄的实物照片。
图2：本发明所使用的连续光泵浦锥形光纤耦合Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔激光测试光路图。
图3：本发明选取对比例1中27μm微球腔和选取实施例1中26μm微球腔品质因子Q值测试结果。
图4：本发明500μW泵浦功率下对比例1中27μm和实施例1中26μm包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔激光性能对比。
图5：本发明200μW泵浦功率下实施例2中72μm包含ZnAl2O4纳米晶相透明微晶玻璃微球腔激光性能。
图6：本发明200μW泵浦功率下实施例3中128μm包含MgAl2O4纳米晶相透明微晶玻璃微球腔激光性能。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例1：64SiO2-23Ga2O3-13Li2O-1.0Yb2O3-0.15NiO多组分透明微晶玻璃微球激光器的制备及激光发射方法考察
1、透明微晶玻璃微球激光器的制备：
本实施例的玻璃组方中，SiO2、Ga2O3、Li2O作为玻璃基质，各化合物前的数值代表摩尔配比(mol.％)；Yb2O3作为外掺的敏化剂，NiO是外掺的过渡金属Ni2+离子化合物，其前面的数值代表相对于整个玻璃基质所掺入的摩尔百分比。
具体制备方法：
(1)分别按照计量好的质量称取SiO2、Ga2O3、Li2O以及Yb2O3和NiO，将上述原料放在玛瑙罐中，使用球磨机搅拌60mins，使其均匀。将混合均匀好的原料转移到石英坩埚中。将高温炉温度升至1600℃，然后将盛有原料的带盖石英坩埚放入，进行熔制60mins。将熔制后的玻璃液倾倒在200℃预热好的铜板上冷却形成块体玻璃，并立即将其放在精密退火炉(400℃)中退火3h，以消除玻璃的内应力。
(2)将制备的块体玻璃进行研磨，研磨后的粉末样品使用0.1mm尺寸的孔径筛进行筛选过滤；将筛选好的粉末样品从竖直管式炉的上部加料口中经过充分雾化分散后引入炉体内，管式炉温度范围为1450℃；熔制过程中通入氮气形成加料风压，加料风压设置为0.9Pa，延长了玻璃粉末在炉内的停留时间，以保证玻璃粉末能够充分熔化，使其在熔体表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球；收集系统的负压设置为0.6Pa，以减小玻璃微球落下时的冲击力，避免造成玻璃微球损伤；将制备的玻璃微球放在培养皿中，转移到精密炉中进行热处理，热处理的速率为2℃/min，升温至700℃，保持5h，然后5℃/min降温至室温，最终制备出包含Ga2O3纳米晶相的透明微晶玻璃微球激光器。
2、透明微晶玻璃微球激光器激光发射方法考察：
为实现所制备的透明微晶玻璃微球激光器的激光发射，本发明以980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，利用锥形光纤进行耦合，实现Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的激光发射。
为获得更好的激光发射效果，本发明对锥形光纤的拉锥直径作为变量，以泵浦光耦合效率和激光出射最高功率作为指标进行考察，结果如下：
| 锥形光纤的拉锥直径 | 泵浦光耦合效率 | 激光出射最高功率 |
| 0.8μm | 30％ | 4.8μW |
| 1.0μm | 45％ | 7.5μW |
| 2.5μm | 32％ | 5.6μW |
| 5μm | 27％ | 4.5μW |
对比例1：64SiO2-23Ga2O3-13Li2O-0.15NiO多组分透明微晶玻璃微球激光器的制备
本实施例的玻璃组方中，SiO2、Ga2O3、Li2O作为玻璃基质，各化合物前的数值代表摩尔配比(mol.％)；NiO是外掺的过渡金属Ni2+离子化合物，其前面的数值代表相对于整个玻璃基质所掺入的摩尔百分比。
具体制备方法：
(1)分别按照计量好的质量称取SiO2、Ga2O3、Li2O以及NiO，将上述原料放在玛瑙罐中，使用球磨机搅拌60mins，使其均匀。将混合均匀好的原料转移到石英坩埚中。将高温炉温度升至1600℃，然后将盛有原料的带盖石英坩埚放入，进行熔制60mins。将玻璃液倾倒在200℃预热好的铜板上冷却形成块体玻璃，并立即将其放在精密退火炉(400℃)中退火3h，以消除玻璃的内应力。
(2)将制备的块体玻璃进行研磨，研磨后的粉末样品使用0.1mm尺寸的孔径筛进行筛选过滤；将筛选好的粉末样品从竖直管式炉的上部加料口中经过充分雾化分散后引入炉体内，管式炉温度范围为1450℃；熔制过程中通入氮气形成加料风压，加料风压设置为0.9Pa，延长了玻璃粉末在炉内的停留时间，以保证玻璃粉末能够充分熔化，使其在熔体表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球；收集系统的负压设置为0.6Pa，以减小玻璃微球落下时的冲击力，避免造成玻璃微球损伤；将制备的玻璃微球放在培养皿中，转移到精密炉中进行热处理，热处理的速率为2℃/min，升温至700℃，保持5h，然后5℃/min降温至室温，最终制备出包含Ga2O3纳米晶相的透明微晶玻璃微球激光器。
使用连续光泵浦锥形光纤耦合上述微球腔的方法测试实施例1和对比例1制备的透明微晶玻璃微球激光器的激光性能。泵浦光源使用980nm连续半导体激光器。锥形光纤的直径为1.0μm，测试Q值使用可调谐激光器作为泵浦光源，使用示波器记录数据，测试激光光谱时使用980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，使用光谱仪采集数据。
实施例2：58SiO2-15Al2O3-16ZnO-11K2CO3-1.0Yb2O3-0.15NiO多组分透明微晶玻璃微球激光器的制备
本实施例的玻璃组方中，SiO2、Al2O3、ZnO、K2CO3作为玻璃基质，各化合物前的数值代表摩尔配比(mol.％)；Yb2O3作为外掺的敏化剂，NiO是外掺的过渡金属Ni2+离子化合物，其前面的数值代表相对于整个玻璃基质所掺入的摩尔百分比。
具体制备方法：
(1)分别按照计量好的质量称取SiO2、Al2O3、ZnO、K2CO3以及Yb2O3和NiO，将上述原料放在玛瑙罐中，使用球磨机搅拌40mins，使其均匀。将混合均匀好的原料转移到石英坩埚中。将高温炉温度升至1580℃，然后将盛有原料的带盖石英坩埚放入，进行熔制60mins。将熔制后的玻璃液倾倒在200℃预热好的铜板上冷却形成块体玻璃，并立即将其放在精密退火炉(450℃)中退火3h，以消除玻璃的内应力。
(2)将制备的块体玻璃进行研磨，研磨后的粉末样品使用0.20mm尺寸的孔径筛进行筛选过滤；将筛选好的粉末样品从竖直管式炉的上部加料口中经过充分雾化分散后引入炉体内，管式炉温度范围为1420℃；熔制过程中通入氮气形成加料风压，加料风压设置为0.9Pa，延长了玻璃粉末在炉内的停留时间，以保证玻璃粉末能够充分熔化，使其在熔体表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球；收集系统的负压设置为0.6Pa，以减小玻璃微球落下时的冲击力，避免造成玻璃微球损伤；将制备的玻璃微球放在培养皿中，转移到精密炉中进行热处理，热处理的速率为2℃/min，升温至680℃，保持7h，然后5℃/min降温至室温，最终制备出包含ZnAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球激光器。
(3)使用连续光泵浦锥形光纤耦合上述微球腔的方法测试激光性能。泵浦光源使用980nm连续半导体激光器。锥形光纤的直径为1.2μm，测试Q值使用可调谐激光器作为泵浦光源，使用示波器记录数据，测试激光光谱时使用980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，使用光谱仪采集数据。
实施例3：55SiO2-18MgO-10Al2O3-17Na2CO3-1.0Yb2O3-0.15NiO多组分透明微晶玻璃微球激光器的制备
本实施例的玻璃组方中，SiO2、MgO、Al2O3、Na2CO3作为玻璃基质，各化合物前的数值代表摩尔配比(mol.％)；Yb2O3作为外掺的敏化剂，NiO是外掺的过渡金属Ni2+离子化合物，其前面的数值代表相对于整个玻璃基质所掺入的摩尔百分比。
具体制备方法：
(1)分别按照计量好的质量称取SiO2、MgO、Al2O3、Na2CO3以及Yb2O3和NiO，将上述原料放在玛瑙罐中，使用球磨机搅拌50mins，使其均匀。将混合均匀好的原料转移到石英坩埚中。将高温炉温度升至1550℃，然后将盛有原料的带盖石英坩埚放入，进行熔制60mins。将熔制后的玻璃液倾倒在200℃预热好的铜板上冷却形成块体玻璃，并立即将其放在精密退火炉(450℃)中退火3h，以消除玻璃的内应力。
(2)将制备的块体玻璃进行研磨，研磨后的粉末样品使用0.30mm尺寸的孔径筛进行筛选过滤；将筛选好的粉末样品从竖直管式炉的上部加料口中经过充分雾化分散后引入炉体内，管式炉温度范围为1400℃；熔制过程中通入氮气形成加料风压，加料风压设置为0.9Pa，延长了玻璃粉末在炉内的停留时间，以保证玻璃粉末能够充分熔化，使其在熔体表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球；收集系统的负压设置为0.6Pa，以减小玻璃微球落下时的冲击力，避免造成玻璃微球损伤；将制备的玻璃微球放在培养皿中，转移到精密炉中进行热处理，热处理的速率为2℃/min，升温至660℃，保持8h，然后5℃/min降温至室温，最终制备出包含MgAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球激光器。
(3)使用连续光泵浦锥形光纤耦合上述微球腔的方法测试激光性能。泵浦光源使用980nm连续半导体激光器。锥形光纤的直径为1.2μm，测试Q值使用可调谐激光器作为泵浦光源，使用示波器记录数据，测试激光光谱时使用980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，使用光谱仪采集数据。
图1所示为使用本发明所提出的方法制备的实施例1(图上)和对比例1(图下)不同尺寸包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔显微镜下拍摄的实物照片。从结果可以看出制备的微球腔球形度和光滑度良好。
图2所示为本发明所使用的的连续光泵浦锥形光纤耦合Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔激光测试光路图。测试Q值使用可调谐激光器作为泵浦光源，使用示波器记录数据，测试激光光谱时使用980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，使用光谱仪采集数据。采用锥形光纤与微球耦合并以连续光泵浦的方式，该方法相比于脉冲空间光泵浦，具有更高的泵浦光耦合效率以及更高的激光出射收集效率。且整个测试过程中，系统稳定性更高，耦合效率与泵浦光偏振可调。此外，相比于飞秒甚至皮秒脉冲激光泵浦的方法，该测试系统成本更低，易于实现。
图3上图所示为本发明对比例1中任意选取一个尺寸为27μm包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔品质因子Q值测试结果，从测试的结果可以看出在波长1572.8nm位置处制备微球腔的品质因子Q值为3.29×105。下图所示为本发明实施例1中任意选取一个尺寸为26μm包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔品质因子Q值测试结果，从测试的结果可以看出在波长1570.62nm位置处制备微球腔的品质因子Q值为4.37×105。可以看出制备微球腔的品质因子Q值大小在同一数量级，所以激光性能的差异可以判处出是由敏化离子Yb3+造成的。
图4所示为本发明在实施例1和对比例中分别选取了一个尺寸为27μm和26μm包含Ga2O3纳米晶相透明微晶玻璃微球腔激光性能对比测试的结果。泵浦波长为980nm，泵浦功率为500μW,从结果可以看出在相同测试条件下，加入敏化剂Yb3+离子后，在1310nm波段附近WGM激光输出功率提高了4.2倍。
图5所示为本发明在实施例2选取了一个尺寸为72μm包含ZnAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球腔激光性能对比测试的结果。泵浦波长为980nm，泵浦功率为200μW，从结果可以看出在包含ZnAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球腔也可以实现Ni2+有效的激光输出。
图6所示为本发明在实施例3选取了一个尺寸为128μm包含MgAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球腔激光性能对比测试的结果。泵浦波长为980nm，泵浦功率为200μW，从结果可以看出在包含MgAl2O4纳米晶相的透明微晶玻璃微球腔也可以实现Ni2+有效的激光输出。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.具有O波段激光发射性能的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)向玻璃基质中外掺过渡金属Ni2+离子和稀土离子Yb3+，熔制得到前驱体玻璃；
(2)将步骤(1)制备的前驱体玻璃研磨成粒径为0.1-0.3mm的玻璃粉末，采用高温熔融法制成前驱体玻璃微球；
(3)将步骤(2)制备的前驱体玻璃微球经原位析晶热处理，生成纳米晶相，制备得到Ni2+掺杂微晶玻璃微球腔。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，熔制得到前驱体玻璃的条件为：熔制温度1500℃-1680℃，保温时间为1.5-2.0h，随后将溶液倒在预先加热过的铜板上进行淬冷，形成前驱体玻璃。
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)中，所述玻璃基质的组成为如下(A)-(C)的任一种：
(A)玻璃基质，由SiO2、Ga2O3、Li2O按摩尔配比(60～70):(20～30):(10～15)组成；
(B)玻璃基质，由SiO2、Al2O3、ZnO、K2CO3按摩尔配比(55～60):(13～18):(15～20):(10～15)组成；
(C)玻璃基质，由SiO2、MgO、Al2O3、Na2CO3按摩尔配比(50～55):(15～20):(10～15):(15～20)组成。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，高温熔融法制备前驱体玻璃微球的条件为：将玻璃粉末从竖直管式炉的上部加料口中经充分雾化分散后引入炉体内进行熔制，熔制温度为800-1200℃，玻璃粉末熔化后在表面张力作用下形成表面光滑的玻璃微球。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，原位析晶热处理的温度为600-800℃，热处理时间为5-10h。
6.由权利要求1-5任一项所述的制备方法制备的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器。
7.根据权利要求6所述的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器，其特征在于，Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的尺寸为20-200μm。
8.一种实现权利要求6或7所述的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器激光发射的方法，其特征在于，包括以下步骤：
以980nm连续半导体激光器作为泵浦光源，利用锥形光纤进行耦合，实现Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器的激光发射；
所述锥形光纤的拉锥直径为0.8～1.2μm。
9.权利要求6或7所述的Ni2+掺杂透明微晶玻璃微球激光器在O波段光纤通信中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210829696.3A CN115189211A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210829696.3A CN115189211A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115189211A true CN115189211A (zh) | 2022-10-14 |
Family
ID=83519796
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210829696.3A Pending CN115189211A (zh) | 2022-07-15 | 2022-07-15 | 具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115189211A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116826506A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-09-29 | 泰山学院 | 单一泵浦下集可见与近红外一体的多波长激光同时发射方法 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114605077A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-06-10 | 泰山学院 | 一种全无机钙钛矿量子点玻璃微球激光器及其制备方法与应用 |
-
2022
- 2022-07-15 CN CN202210829696.3A patent/CN115189211A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114605077A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-06-10 | 泰山学院 | 一种全无机钙钛矿量子点玻璃微球激光器及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ZHIGANG GAO 等: ""Correlation between ultrabroadband near-infrared emission and Yb3+/Ni2+ dopants distribution in highly transparent germanate glass-ceramics containing zinc gallogermanate nanospinels"", 《JOURNAL OF THE AMERICAN CERAMIC SOCIETY》, pages 1 - 9 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116826506A (zh) * | 2023-03-17 | 2023-09-29 | 泰山学院 | 单一泵浦下集可见与近红外一体的多波长激光同时发射方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Stevenson et al. | Fluoride materials for optical applications: Single crystals, ceramics, glasses, and glass–ceramics | |
| Ali et al. | Understanding enhanced upconversion luminescence in oxyfluoride glass-ceramics based on local structure characterizations and molecular dynamics simulations | |
| CN103803804A (zh) | 一种纳米玻璃陶瓷上转换发光材料及其制备方法 | |
| CN102211872A (zh) | 3μm发光掺稀土离子氟磷酸盐激光玻璃及其制备方法 | |
| CN113087397B (zh) | 具有超宽带荧光发射特性的双相透明微晶玻璃及制备方法 | |
| CN115189211A (zh) | 具有o波段激光发射性能的镍掺杂透明微晶玻璃微球激光器 | |
| CN108258571A (zh) | 基于超强上转换多组分玻璃材料的微球腔激光器制备方法 | |
| CN114605077B (zh) | 一种全无机钙钛矿量子点玻璃微球激光器及其制备方法与应用 | |
| CN112430847A (zh) | 铥铒镝三掺杂氟化铅中红外激光晶体、制备方法及应用 | |
| CN109252219B (zh) | 一种镱钬镝三掺氟化铅中红外激光晶体及其制备方法 | |
| CN103014868B (zh) | 非线性光学晶体亚碲钼酸镉及其制备和用途 | |
| Kesavulu et al. | Optical and upconversion properties of Er3+-doped oxyfluoride transparent glass-ceramics containing SrF2 nanocrystals | |
| CN114108072B (zh) | 稀土离子掺杂的GdScO3激光晶体制备及其应用 | |
| CN107287659B (zh) | 激光晶体及其制备方法 | |
| CN102618928A (zh) | 一种高效中红外激光晶体及其制备方法 | |
| CN102534776A (zh) | 一种钕离子掺杂氟化物激光晶体 | |
| CN101182121B (zh) | 铋镍共掺的透明硅酸盐微晶玻璃及其制备方法 | |
| CN109023524B (zh) | 一种铒钬镨三掺杂氟化铅中红外激光晶体及其制备方法 | |
| CN109023523B (zh) | 一种2.7-3微米波段中红外镱铒镝三掺氟化铅激光晶体及其制备方法 | |
| Chen et al. | Tunable ultra-broadband multi-band NIR emission in Bi-doped aluminogermanate glasses and fibers via controllable Al 2 O 3 content for broadband amplifiers | |
| CN101407939A (zh) | 掺Bi卤化物激光晶体及其制备方法 | |
| Zhang et al. | Growth and spectroscopic properties investigation of Er: LuYAG and Er/Eu: LuYAG single crystal fibers used in mid-infrared lasers | |
| CN108751697A (zh) | 一种高浓度稀土掺杂碲钨镧玻璃及其制备方法 | |
| CN102603190A (zh) | 稀土掺杂硫系(卤)薄膜材料、制备方法及应用 | |
| Li et al. | Mid-infrared luminescence of Gd2O3-based nano-glass ceramic with remarkable stability |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |