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技术

本发明专利技术公开了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。以过渡金属离子和稀土离子共掺的双相纳米晶复合玻璃微球为激光器，在980nm半导体激光泵浦下实现可见光450

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及
，具体涉及单一泵浦下集可见与近红外一体的激光发射方法。

技术介绍

[0002]拓展光网络传输水平就是持续拓展光网络的传输道路宽度，本质上就是不断深入分析并充分利用全波石英光纤低损耗带宽资源。这迫切需要开发新型宽带光放大材料。同时伴随近年来光电子元器件的小型化和集成化发展趋势，微型激光器将激光增益介质与谐振腔合二为一，具有体积小、结构紧凑、成本低和功耗低等突出优点，引起科研和工业界的广泛兴趣。工作波段位于近红外低损耗光波段(1260
‑
1625nm)的超宽带、低阈值微型激光器在片上通讯光源、高密度信息存储、超灵敏传感、光学精密测量等领域具有重要应用前景，相关研究成为了光子学领域的前沿。特别是现阶段广受关注的后摩尔时代硅基片上光源对能够同时实现覆盖O+E+S+C+L波段激光发射的微型激光器提出了巨大挑战。选择恰当的高增益介质以及具有高品质因子的谐振腔是获得上述微型激光器的关键。
[0003]稀土离子掺杂的发光器件，通过改变基质或稀土离子共掺，一定程度上可以增加增益频谱范围，但由于稀土本身窄线发光特征的限制，很难获得所期待的超宽带发光器件。过渡金属离子在晶体介质中处于特定配位场环境，在近红外波段表现出较长寿命的宽带发光，但晶体的制备方法和加工要求限制了其应用。玻璃介质具有易加工的优点，但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。通过合理设计玻璃组成并采用传统熔融淬冷的方法制备块体玻璃前驱体，随后对玻璃进行热处理，可以在玻璃内部析出晶体，获得“纳米晶复合玻璃”。由于在玻璃内部析出的晶粒尺寸一般在几十纳米，远小于可见光的波长从而避免了散射，所以纳米晶复合玻璃依然可以保持良好的透光性和较低的损耗。因此过渡金属离子掺杂的纳米晶复合玻璃结合了晶体和玻璃的优点同时摒弃了它们的缺点，可以作为近红外超宽带光源的增益基质材料。
[0004]设想如果能够同时将稀土离子和过渡金属离子掺杂在一种玻璃体系中，在单一泵浦下可以同时得到稀土离子和过渡金属离子的发光，无疑会大大扩宽光带宽。2010年国内华南理工大学周时凤教授在美国化学学会期刊Journal of American Chemical Society发表了开创性的工作，设计了SiO2/Na2O/Ga2O3/LaF3＝51/15/20/14(mol％)特殊玻璃体系，能够有序的析出LaF3和Ga2O3两种纳米晶体，使得共掺的Er
3+
和Ni
2+
能够分别进入到两种纳米晶体中，得益于两种活性离子之间物理意义上距离的隔离以及局部晶体场的变化，有效的抑制了两种不同属性的活性离子的能量传递，实现了集成的多色可见以及近红外超宽带荧光发光。随后国内外众多研究人员报道了更多的稀土离子和过渡金属离子共掺的双相纳米晶复合玻璃，但遗憾的是纳米晶复合块体玻璃为开放式结构，其对光场束缚能力依然有限，至今尚未能在稀土离子和过渡金属离子共掺的双相纳米晶复合玻璃中实现激光的发射。因此，需要开发一种能够实现激光发射的稀土离子和过渡金属共掺的双相纳米晶复合玻璃微球激光器，能够在单一泵浦下实现集可见与近红外一体的激光发射。

技术实现思路

[0005]针对上述现有技术，本专利技术的目的是提供单一泵浦下集可见与近红外一体的激光发射方法。本专利技术制备的稀土离子和过渡金属共掺的双相纳米晶复合玻璃微球激光谐振腔具有极高的品质因子(≥105)和极小的模式体积(≤103μm3)，可以充分发挥珀塞尔效应增强光与物质的相互作用，在单一泵浦光源下即可实现可见光450
‑
700nm和近红外波段750
‑
2000nm的激光同时发射。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]本专利技术的第一方面，提供单一泵浦下实现集可见与近红外一体的激光发射方法，所述方法为：以过渡金属离子和稀土离子共掺的双相纳米晶复合玻璃微球为激光器，在980nm半导体激光泵浦下实现可见光和近红外波段的激光同时发射；
[0008]所述过渡金属离子和稀土离子共掺的双相纳米晶复合玻璃微球包括玻璃基质和发光中心；所述玻璃基质包括玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源；所述发光中心包括稀土离子和过渡金属离子；
[0009]所述可见光的波长为450
‑
700nm；所述近红外波段的波长为750
‑
2000nm。
[0010]优选的，所述玻璃网络形成体为硅酸盐SiO2或锗酸盐GeO2；所述玻璃网络中间体为氧化钠(Na2O)、氧化铝(Al2O3)氧化锌(ZnO)和氟化锂(LiF)中的至少一种；所述晶体源为氧化镓(Ga2O3)、氟化钇(YF3)、氟化镧(LaF3)中的至少一种；所述稀土离子为氟化铒(ErF3)、氟化铥(TmF3)、氟化镱(YbF3)、氟化钬(HoF3)、氟化钕(NdF3)中的至少一种；所述过渡金属离子为氧化镍(NiO)、氧化铬(Cr2O3)、氧化锰(MnO)中的至少一种。
[0011]优选的，所述双相纳米晶复合玻璃微球激光器由以下方法制备：
[0012](1)将玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源混合作为玻璃基质；将稀土离子和过渡金属离子作为发光中心，将玻璃基质和发光中心球磨均匀，得到玻璃配合料；将玻璃配合料进行熔制得到熔融液，浇注到模具上使其淬冷形成玻璃，对玻璃进行退火，制备得到块体玻璃；
[0013](2)将步骤(1)得到的块体玻璃研磨成玻璃粉末，将玻璃粉末进行熔制，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；
[0014](3)将步骤(2)得到的玻璃微球进行热处理，得到稀土离子与过渡金属共掺的双相纳米晶复合玻璃微球激光器。
[0015]优选的，步骤(1)中，所述玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源的摩尔比为(50
‑
60)：(10
‑
15)：(10
‑
20)；所述发光中心掺入的摩尔量为玻璃基质总摩尔量的0.1
‑
1.5％。
[0016]发光中心的掺入量占玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源的摩尔量之和的0.1～1.5％。
[0017]优选的，步骤(1)中，所述球磨的时间为10～30mins；所述熔制的温度为1200
‑
1600℃，熔制的时间为20
‑
40mins；所述退火的温度为400
‑
500℃，退火的时间为3
‑
5h。
[0018]在此温度下退火一方面可以消除玻璃内应力，另一方面，该退火温度低于晶体的析出温度，保证不会在该步骤中析出纳米晶体。
[0019]优选的，步骤(2)中，所述玻璃粉末的粒径为0.1
‑
0.3mm；所述熔制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。
[0020]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.单一泵浦下实现集可见与近红外一体的激光发射方法，其特征在于，所述方法为：以过渡金属离子和稀土离子共掺的双相纳米晶复合玻璃微球为激光器，在980nm半导体激光单一泵浦下实现可见光和近红外波段的激光同时发射；所述过渡金属离子和稀土离子共掺的双相纳米晶复合玻璃微球包括玻璃基质和发光中心；所述玻璃基质包括玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源；所述发光中心包括稀土离子和过渡金属离子；所述可见光的波长为450
‑
700nm；所述近红外波段的波长为750
‑
2000nm。2.根据权利要求1所述的激光发射方法，其特征在于，所述玻璃网络形成体为硅酸盐或锗酸盐；所述玻璃网络中间体为氧化钠、氧化铝、氧化锌和氟化锂中的至少一种；所述晶体源为氧化镓、氟化钇、氟化镧中的至少一种；所述稀土离子为氟化铒、氟化铥、氟化镱、氟化钬、氟化钕中的至少一种；所述过渡金属离子为氧化镍、氧化铬、氧化锰中的至少一种。3.根据权利要求1所述的激光发射方法，其特征在于，所述双相纳米晶复合玻璃微球激光器由以下方法制备：(1)将玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源混合作为玻璃基质；将稀土离子和过渡金属离子作为发光中心，将玻璃基质和发光中心球磨均匀，得到玻璃配合料；将玻璃配合料进行熔制得到熔融液，浇注到模具上使其淬冷形成玻璃，对玻璃进行退火，制备得到块体玻璃；(2)将步骤(1)得到的块体玻璃研磨成玻璃粉末，将玻璃粉末进行熔制，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；(3)将步骤(2)得到的玻璃微球进行热处理，得到稀土离子与过渡金属共掺的双相纳米晶复合玻璃微球激光器。4.根据权利要求3所述的激光发射方法，其特征在于，步骤(1)中，所述玻璃网络形成体、玻璃网络中间体以及晶体源的摩尔比为(50
‑
60)：(10
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【专利技术属性】
技术研发人员：高志刚，孙伟，张丙涵，赵瑞，
申请(专利权)人：山东凯普乐光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：