基于稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃材料的固体激光器研究进展
发布时间：2021-02-19 12:31
氟氧化物微晶玻璃兼具了氟化物玻璃稀土掺杂浓度高、声子能量低和氧化物玻璃化学性质稳定、机械强度高、易于制备的特点,是一种性能非常优异的稀土离子掺杂基质,在高效率、新波段激光器领域具有良好的应用前景。目前对稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃的研究主要集中在发光机理和发光性能上,而利用其实现激光输出的研究工作尚处于起步阶段。本文归纳了使用稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃材料实现了激光输出的研究工作,主要从氟氧化物微晶玻璃光纤激光器、随机激光器和回音壁激光器三个方面进行综述,对稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃用作固体激光增益介质的优、劣势进行深入的分析和讨论,总结了这种材料用于制备固体激光器的技术要点,并展望了未来的发展方向。
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(07)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图1 双坩埚法、管棒法、管内熔融法制备微晶玻璃光纤[10-11,13]。（a）双坩埚法示意图；（b)(c）管棒法制备微晶玻璃光纤时拉丝前、后玻璃棒；（d）管内熔融法示意图；（e)(f）管内熔融法制备的微晶玻璃光纤端面照片及热处理前后的拉曼光谱
管内熔融法可用于拉制多种体系的稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤。Kang等[14]应用管内熔融法拉制出了Er3+/Yb3+共掺可控析出KYF4晶体的微晶玻璃光纤，并实现了1.5μm波段激光输出。其透射电子显微镜（TEM）测试结果[图2(a)～(d）]显示，KYF4纳米晶均匀分散在纤芯玻璃基质中，且随着热处理温度由470℃升高至500℃时，晶体平均粒径由14.2nm增大到26.8nm。这个过程会产生两个互相矛盾的效果。一是越来越多的Er3+/Yb3+替代Y3+进入低声子能量的氟化物晶体中，非辐射弛豫被抑制，发光效率增强[图2(e）]；二是晶体引起的散射效应增强，光纤损耗增大[图2(f）]。当热处理温度较低时，增益的提高起主要作用，输出激光的效率提高；而热处理温度过高时，光纤损耗的迅速增加造成输出激光效率降低[图2(g）]。综合以上两种影响因素，在980nm激光泵浦下，经480℃热处理后的微晶玻璃光纤可实现最高效率的激光输出。此实验也证明了在有效控制氟氧化物微晶玻璃的散射效应后，微晶玻璃比前驱体玻璃更适合用作激光材料。由于稀土离子在可见和中红外波段的发光极其依赖于低声子能量的环境[15]，且氧化物玻璃中OH-较难除去，中红外波段的光损耗较大[16]，目前稀土离子掺杂的可见和中红外波段光纤激光只能在氟化物玻璃光纤中实现。氟氧化物微晶玻璃光纤是一种有可能突破目前技术瓶颈的材料。如图2(h）、（i）所示，Gorni等[17]制备的Er3+/Yb3+共掺的前驱体光纤在可见波段几乎无辐射跃迁，而经过热处理纤芯中析出的α-NaLuF4晶体为Er3+/Yb3+提供了低声子能量的环境，非辐射弛豫被抑制，在980nm激光泵浦下微晶玻璃光纤可实现较强的上转换荧光输出。如图2(j）、（k）所示，Kang等[18]研究了Er3+掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤在中红外波段的荧光特性，发现热处理析晶后的光纤在2.7μm波段的发光强度远高于前驱体光纤，且随着热处理温度的升高，进入NaYF4晶体中Er3+越多，发光强度越大。目前已在稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤中实现了较强的可见波段和中红外波段荧光输出，但由于微晶玻璃光纤的损耗较大，还未见实现这两个波段激光输出的报道。
稀土离子掺杂玻璃是最早用于实现回音壁模式激光器的材料之一。20世纪90年代科研人员就已经用Nd3+掺杂的玻璃微球腔实现了近红外波段激光输出[29]。此后在不同稀土离子掺杂、不同体系的玻璃回音壁微腔中实现激光输出的报道更是屡见不鲜[30-32]。然而，微晶玻璃回音壁激光器却鲜有报道。早在2013年Zhu等[33]就已经将Er3+/Yb3+共掺的核壳结构NaYF4纳米晶作为增益介质实现了上转换可见波段激光输出。如图3(a）所示，研究者将制备好的纳米晶与硅树脂混合均匀（纳米晶的质量分数为3.6%），然后蘸在拉细的石英光纤上，硅树脂的表面张力作用会使其自动形成回音壁微瓶，在脉冲光的泵浦下可在红、绿、蓝三个波段上实现激光输出。2018年Fernandez-Bravo等[34]在直径为5μm的聚乙烯微球上吸附一层Tm3+掺杂的NaYF4@NaGdF4核壳结构纳米晶[图3(b）]。这种微腔在1064nm连续激光泵浦下实现了蓝、红两个波段的上转换激光输出[图3(c）、（d）]。上述两项研究都是将稀土离子掺杂氟化物微晶与回音壁微腔结合实现激光输出，这种结构与微晶玻璃很相似，对于微晶玻璃回音壁微腔的研究具有很重要的参考价值。2 019年Ouyang等[35]通过调控玻璃组分，设计了玻璃基质与析出的微晶折射率匹配的氟氧化物微晶玻璃，并用其制备微晶玻璃微球腔。其结构示意图见图3(e）。由于微晶相与玻璃相的折射率相差较小，散射损耗较低，获得的微晶玻璃微球具有较高的品质因子（>105）。随着热处理温度的升高，晶体长大，散射损耗增加，导致微球腔的品质因子快速下降[图3(f）]，不利于激光输出。同时，温度升高的过程中，更多的Er3+富集在低声子能量的NaYF4晶体中，非辐射弛豫被抑制，发光效率不断增强。因此，在这两个因素的共同作用下，激光的输出效率随热处理温度升高先增高后降低，而激光阈值的变化趋势恰好相反[图3(g）]。实验中测得460℃热处理温度下的微晶玻璃微球腔实现了最高效率的激光输出，比前驱体玻璃高7倍。此实验也进一步证明氟氧化物微晶玻璃有可能成为一种性能优良的新型激光材料。降低散射损耗是制备高品质因子微晶玻璃微球腔并实现高效率激光输出的关键，主要可以从减小微晶相和玻璃相的折射率差以及控制散射相（微晶相）的尺寸及尺寸分布两个方面着手。通过改善熔制玻璃和制备微腔的工艺，进一步提高品质因子，稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃回音壁微腔有望用于实现可见波段和中红外波段激光输出。3.3 稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃随机激光器
【参考文献】：
期刊论文
[1]微晶玻璃光纤的研究进展[J]. 方再金,郑书培,关柏鸥,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[2]细胞激光器研究进展及应用综述[J]. 杜梦聪,刘倩倩,Marion Lang,王秀翃,王璞. 激光与光电子学进展. 2018(12)
本文编号：3041124
【文章来源】：激光与光电子学进展. 2020,57(07)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
图1 双坩埚法、管棒法、管内熔融法制备微晶玻璃光纤[10-11,13]。（a）双坩埚法示意图；（b)(c）管棒法制备微晶玻璃光纤时拉丝前、后玻璃棒；（d）管内熔融法示意图；（e)(f）管内熔融法制备的微晶玻璃光纤端面照片及热处理前后的拉曼光谱
管内熔融法可用于拉制多种体系的稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤。Kang等[14]应用管内熔融法拉制出了Er3+/Yb3+共掺可控析出KYF4晶体的微晶玻璃光纤，并实现了1.5μm波段激光输出。其透射电子显微镜（TEM）测试结果[图2(a)～(d）]显示，KYF4纳米晶均匀分散在纤芯玻璃基质中，且随着热处理温度由470℃升高至500℃时，晶体平均粒径由14.2nm增大到26.8nm。这个过程会产生两个互相矛盾的效果。一是越来越多的Er3+/Yb3+替代Y3+进入低声子能量的氟化物晶体中，非辐射弛豫被抑制，发光效率增强[图2(e）]；二是晶体引起的散射效应增强，光纤损耗增大[图2(f）]。当热处理温度较低时，增益的提高起主要作用，输出激光的效率提高；而热处理温度过高时，光纤损耗的迅速增加造成输出激光效率降低[图2(g）]。综合以上两种影响因素，在980nm激光泵浦下，经480℃热处理后的微晶玻璃光纤可实现最高效率的激光输出。此实验也证明了在有效控制氟氧化物微晶玻璃的散射效应后，微晶玻璃比前驱体玻璃更适合用作激光材料。由于稀土离子在可见和中红外波段的发光极其依赖于低声子能量的环境[15]，且氧化物玻璃中OH-较难除去，中红外波段的光损耗较大[16]，目前稀土离子掺杂的可见和中红外波段光纤激光只能在氟化物玻璃光纤中实现。氟氧化物微晶玻璃光纤是一种有可能突破目前技术瓶颈的材料。如图2(h）、（i）所示，Gorni等[17]制备的Er3+/Yb3+共掺的前驱体光纤在可见波段几乎无辐射跃迁，而经过热处理纤芯中析出的α-NaLuF4晶体为Er3+/Yb3+提供了低声子能量的环境，非辐射弛豫被抑制，在980nm激光泵浦下微晶玻璃光纤可实现较强的上转换荧光输出。如图2(j）、（k）所示，Kang等[18]研究了Er3+掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤在中红外波段的荧光特性，发现热处理析晶后的光纤在2.7μm波段的发光强度远高于前驱体光纤，且随着热处理温度的升高，进入NaYF4晶体中Er3+越多，发光强度越大。目前已在稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃光纤中实现了较强的可见波段和中红外波段荧光输出，但由于微晶玻璃光纤的损耗较大，还未见实现这两个波段激光输出的报道。
稀土离子掺杂玻璃是最早用于实现回音壁模式激光器的材料之一。20世纪90年代科研人员就已经用Nd3+掺杂的玻璃微球腔实现了近红外波段激光输出[29]。此后在不同稀土离子掺杂、不同体系的玻璃回音壁微腔中实现激光输出的报道更是屡见不鲜[30-32]。然而，微晶玻璃回音壁激光器却鲜有报道。早在2013年Zhu等[33]就已经将Er3+/Yb3+共掺的核壳结构NaYF4纳米晶作为增益介质实现了上转换可见波段激光输出。如图3(a）所示，研究者将制备好的纳米晶与硅树脂混合均匀（纳米晶的质量分数为3.6%），然后蘸在拉细的石英光纤上，硅树脂的表面张力作用会使其自动形成回音壁微瓶，在脉冲光的泵浦下可在红、绿、蓝三个波段上实现激光输出。2018年Fernandez-Bravo等[34]在直径为5μm的聚乙烯微球上吸附一层Tm3+掺杂的NaYF4@NaGdF4核壳结构纳米晶[图3(b）]。这种微腔在1064nm连续激光泵浦下实现了蓝、红两个波段的上转换激光输出[图3(c）、（d）]。上述两项研究都是将稀土离子掺杂氟化物微晶与回音壁微腔结合实现激光输出，这种结构与微晶玻璃很相似，对于微晶玻璃回音壁微腔的研究具有很重要的参考价值。2 019年Ouyang等[35]通过调控玻璃组分，设计了玻璃基质与析出的微晶折射率匹配的氟氧化物微晶玻璃，并用其制备微晶玻璃微球腔。其结构示意图见图3(e）。由于微晶相与玻璃相的折射率相差较小，散射损耗较低，获得的微晶玻璃微球具有较高的品质因子（>105）。随着热处理温度的升高，晶体长大，散射损耗增加，导致微球腔的品质因子快速下降[图3(f）]，不利于激光输出。同时，温度升高的过程中，更多的Er3+富集在低声子能量的NaYF4晶体中，非辐射弛豫被抑制，发光效率不断增强。因此，在这两个因素的共同作用下，激光的输出效率随热处理温度升高先增高后降低，而激光阈值的变化趋势恰好相反[图3(g）]。实验中测得460℃热处理温度下的微晶玻璃微球腔实现了最高效率的激光输出，比前驱体玻璃高7倍。此实验也进一步证明氟氧化物微晶玻璃有可能成为一种性能优良的新型激光材料。降低散射损耗是制备高品质因子微晶玻璃微球腔并实现高效率激光输出的关键，主要可以从减小微晶相和玻璃相的折射率差以及控制散射相（微晶相）的尺寸及尺寸分布两个方面着手。通过改善熔制玻璃和制备微腔的工艺，进一步提高品质因子，稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃回音壁微腔有望用于实现可见波段和中红外波段激光输出。3.3 稀土离子掺杂氟氧化物微晶玻璃随机激光器
【参考文献】：
期刊论文
[1]微晶玻璃光纤的研究进展[J]. 方再金,郑书培,关柏鸥,邱建荣. 激光与光电子学进展. 2019(17)
[2]细胞激光器研究进展及应用综述[J]. 杜梦聪,刘倩倩,Marion Lang,王秀翃,王璞. 激光与光电子学进展. 2018(12)
本文编号：3041124
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