一种基于Tm制造技术

本发明专利技术为一种基于Tm

A Tm-based Approach

【技术实现步骤摘要】
一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器
本专利技术属于固体光纤激光器领域，具体涉及一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器。
技术介绍
微球激光是基于回音壁模式WhisperingGalleryModem,即WGM的微腔激光。WGM具有长相干长度、窄光谱线宽、低阈值、高转化效率、高速调制等特点，其微腔的谐振横截面为环形结构，光沿环形横截面边界不断发生全内反射循环并形成谐振。WGM模式微腔的形状有很多种，包括球形、瓶形、盘形以及环形等。WGM模式微腔可以由多种材料制备获得，同时包括固态和液态形式的材料。由于其结构简单，内表面光滑，因此它的Q值极高，通常高于106，最高可达1010。基于WGM原理的微球激光具有极高的品质因子Q值和极小的模式体积以及非常宽的频段覆盖能力。有源回音壁模式微腔是一种特殊的微型激光器，与宏观激光器类似，它也需要满足激光谐振条件才能实现激光输出。激光谐振条件包括四部分，第一是腔内实现有效谐振；第二是腔内具有增益材料，它是产生激光的关键部分；第三是根据腔内掺杂增益材料的吸收波段，选择相应的泵浦激光器；第四是在腔内实现增益大于损耗。具体到有源回音壁模式微腔，其回音壁模式即是高效谐振，再采用有源增益介质制备回音壁模式微腔，选择合适的泵浦源，即可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化，但由于微腔的腔长较短，通常直径在20-500μm之间，因此谐振腔的增益长度一般小于1mm，需要增益材料具有高的增益系数才能实现激光输出。在多种工作波段的激光器当中，激光输出在2μm附近的掺铥激光器尤其受到人们的关注。2μm波段属于人眼安全的工作波段，水中的吸收系数高，大气穿透能力强且存在几个低损耗的窗口，同时还被认为是3-5μm光参量振荡的有效抽运源，在测距、雷达、遥感、探测空间、光通信、医疗、军事等领域都有着广泛的应用。Tm稀土离子由于其3F4→3H6能级跃迁可产生2μm范围发光，且泵浦源的选择上可以根据许多限制选择不同波长的LD或其他光源，常见的有793nm和808nm泵浦源。目前已有报告的掺铥光纤激光器的研究主要包括：1)利用光纤光栅作为选频元件，优势在于实现了全光纤结构，但该方法中所用的2μm光纤光栅价格昂贵且国内不具备自主生产能力；2)利用光子晶体光纤作为选频元件，结构简单但同样成本较为昂贵；3)利用二色镜组成F-P腔提供频率选择，该方法制作的激光器往往体积较大；4)利用掺杂光纤微球作为选频元件，优势在于所产生激光功率阈值较低；因此，开发一种制作工艺简单、低成本、低激光功率阈值的2μm微球光纤激光器具有重要的应用价值。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，从而减小非辐射驰豫过程的发生。大多数的氧化物玻璃的声子能量相对较大，为1100cm-1。但是，氟化物玻璃具有一个独持的优势即声子能量较低，约为300-400cm-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ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF玻璃，即ZBLAN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实现了商用化，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，本专利技术自制了ZBYA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。另外，掺Tm3+ZBYA氟化物玻璃基质中的Tm3+离子，拥有非常宽的发射截面，在1.5～2.1μm之间，是目前已知稀土离子掺杂中最宽的。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200μm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。因此本专利技术主要采用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。
技术实现思路
本专利技术的目的是制备一种基于掺Tm3+的ZBYA氟化物玻璃在2μm范围的微球激光器，这种激光器具有低阈值，高Q值，结构简单等优点。本专利技术的目的是这样实现的：一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器，具体包括微纳光纤、掺Tm3+的ZBYA的氟化物玻璃微球、泵浦源和光谱仪；泵浦源、微纳光纤、掺Tm3+的ZBYA的氟化物玻璃微球、光谱仪依次通过单模光纤耦合。所述的微纳光纤直径在1-2μm之间，通过对直径为125μm的商用单模光纤熔融拉伸得到；微纳光纤的一端端面为光滑平整的光纤端面，另一端端面为拉锥成的圆锥状光纤。所述的微纳光纤与Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球耦合的一端为微纳光纤拉锥后形成的圆锥状光纤端，靠近Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球一端为圆锥状光纤端的顶端；微纳光纤与Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球不接触且相对位置为光谱仪输出光谱能量最大时的位置。所述的Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球具体包括如下制作步骤：(1)掺Tm3+的ZBYA氟化物玻璃制作：将高纯的ZrF4，BaF2+YF3+AlF3，TmF3粉末按照50：49：1的配比称量混合，并加以细细研磨；将混合充分的样品用铂金坩埚盛装，放在手套箱的电炉中进行高温熔融，使样品达到完全熔融状态后，快速将熔融的样品倒在预热好的磨具上进行退火，并同时在玻璃样品中挑出玻璃丝以备制作微球；(2)利用CO2激光器加热ZBYA玻璃丝尾端端部，在表面张力的作用下，使材料熔成球体。所述的泵浦源为中心波长808nm的半导体激光器。本专利技术的有益效果在于：基于Tm3+掺杂的ZBYA氟化物玻璃微球激光器具有低阈值、高Q值等优点，且结构简单，可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化；本专利技术中激光器得到的2μm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为本专利技术的微球制备示意图；图2为本专利技术的ZBYA微球激光器实验装置示意图；图3为实施例的2μm波段多模激光光谱图；图4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Tm

【技术特征摘要】
1.一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器，具体包括微纳光纤、掺Tm3+的ZBYA的氟化物玻璃微球、泵浦源和光谱仪；泵浦源、微纳光纤、掺Tm3+的ZBYA的氟化物玻璃微球、光谱仪依次通过单模光纤耦合。2.根据权利要求1所述的一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器，其特征在于，所述的微纳光纤直径在1-2μm之间，通过对直径为125μm的商用单模光纤熔融拉伸得到；微纳光纤的一端端面为光滑平整的光纤端面，另一端端面为拉锥形成的圆锥状光纤。3.根据权利要求1所述的一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器，其特征在于，所述的微纳光纤与Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球耦合的一端为微纳光纤拉锥后形成的圆锥状光纤端，靠近Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球一端为圆锥状光纤端的顶端；微纳光纤与Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球的相...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏飞，赵海燕，易雅婷，户仓川正树，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23