氟氧化物微晶玻璃兼具了氟化物玻璃稀土摻雜濃度高、聲子能量低和氧化物玻璃化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、機(jī)械強(qiáng)度高、易于制備的特點(diǎn),是一種性能非常優(yōu)異的稀土離子摻雜基質(zhì),在高效率、新波段激光器領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。目前對(duì)稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃的研究主要集中在發(fā)光機(jī)理和發(fā)光性能上,而利用其實(shí)現(xiàn)激光輸出的研究工作尚處于起步階段。本文歸納了使用稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃材料實(shí)現(xiàn)了激光輸出的研究工作,主要從氟氧化物微晶玻璃光纖激光器、隨機(jī)激光器和回音壁激光器三個(gè)方面進(jìn)行綜述,對(duì)稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃用作固體激光增益介質(zhì)的優(yōu)、劣勢(shì)進(jìn)行深入的分析和討論,總結(jié)了這種材料用于制備固體激光器的技術(shù)要點(diǎn),并展望了未來(lái)的發(fā)展方向。 

【文章來(lái)源】：激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2020,57(07)北大核心

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【部分圖文】：

圖1 雙坩堝法、管棒法、管內(nèi)熔融法制備微晶玻璃光纖[10-11,13]。（a）雙坩堝法示意圖；（b)(c）管棒法制備微晶玻璃光纖時(shí)拉絲前、后玻璃棒；（d）管內(nèi)熔融法示意圖；（e)(f）管內(nèi)熔融法制備的微晶玻璃光纖端面照片及熱處理前后的拉曼光譜

管內(nèi)熔融法可用于拉制多種體系的稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖。Kang等[14]應(yīng)用管內(nèi)熔融法拉制出了Er3+/Yb3+共摻可控析出KYF4晶體的微晶玻璃光纖，并實(shí)現(xiàn)了1.5μm波段激光輸出。其透射電子顯微鏡（TEM）測(cè)試結(jié)果[圖2(a)～(d）]顯示，KYF4納米晶均勻分散在纖芯玻璃基質(zhì)中，且隨著熱處理溫度由470℃升高至500℃時(shí)，晶體平均粒徑由14.2nm增大到26.8nm。這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)互相矛盾的效果。一是越來(lái)越多的Er3+/Yb3+替代Y3+進(jìn)入低聲子能量的氟化物晶體中，非輻射弛豫被抑制，發(fā)光效率增強(qiáng)[圖2(e）]；二是晶體引起的散射效應(yīng)增強(qiáng)，光纖損耗增大[圖2(f）]。當(dāng)熱處理溫度較低時(shí)，增益的提高起主要作用，輸出激光的效率提高；而熱處理溫度過(guò)高時(shí)，光纖損耗的迅速增加造成輸出激光效率降低[圖2(g）]。綜合以上兩種影響因素，在980nm激光泵浦下，經(jīng)480℃熱處理后的微晶玻璃光纖可實(shí)現(xiàn)最高效率的激光輸出。此實(shí)驗(yàn)也證明了在有效控制氟氧化物微晶玻璃的散射效應(yīng)后，微晶玻璃比前驅(qū)體玻璃更適合用作激光材料。由于稀土離子在可見(jiàn)和中紅外波段的發(fā)光極其依賴于低聲子能量的環(huán)境[15]，且氧化物玻璃中OH-較難除去，中紅外波段的光損耗較大[16]，目前稀土離子摻雜的可見(jiàn)和中紅外波段光纖激光只能在氟化物玻璃光纖中實(shí)現(xiàn)。氟氧化物微晶玻璃光纖是一種有可能突破目前技術(shù)瓶頸的材料。如圖2(h）、（i）所示，Gorni等[17]制備的Er3+/Yb3+共摻的前驅(qū)體光纖在可見(jiàn)波段幾乎無(wú)輻射躍遷，而經(jīng)過(guò)熱處理纖芯中析出的α-NaLuF4晶體為Er3+/Yb3+提供了低聲子能量的環(huán)境，非輻射弛豫被抑制，在980nm激光泵浦下微晶玻璃光纖可實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的上轉(zhuǎn)換熒光輸出。如圖2(j）、（k）所示，Kang等[18]研究了Er3+摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖在中紅外波段的熒光特性，發(fā)現(xiàn)熱處理析晶后的光纖在2.7μm波段的發(fā)光強(qiáng)度遠(yuǎn)高于前驅(qū)體光纖，且隨著熱處理溫度的升高，進(jìn)入NaYF4晶體中Er3+越多，發(fā)光強(qiáng)度越大。目前已在稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃光纖中實(shí)現(xiàn)了較強(qiáng)的可見(jiàn)波段和中紅外波段熒光輸出，但由于微晶玻璃光纖的損耗較大，還未見(jiàn)實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)波段激光輸出的報(bào)道。

稀土離子摻雜玻璃是最早用于實(shí)現(xiàn)回音壁模式激光器的材料之一。20世紀(jì)90年代科研人員就已經(jīng)用Nd3+摻雜的玻璃微球腔實(shí)現(xiàn)了近紅外波段激光輸出[29]。此后在不同稀土離子摻雜、不同體系的玻璃回音壁微腔中實(shí)現(xiàn)激光輸出的報(bào)道更是屢見(jiàn)不鮮[30-32]。然而，微晶玻璃回音壁激光器卻鮮有報(bào)道。早在2013年Zhu等[33]就已經(jīng)將Er3+/Yb3+共摻的核殼結(jié)構(gòu)NaYF4納米晶作為增益介質(zhì)實(shí)現(xiàn)了上轉(zhuǎn)換可見(jiàn)波段激光輸出。如圖3(a）所示，研究者將制備好的納米晶與硅樹(shù)脂混合均勻（納米晶的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%），然后蘸在拉細(xì)的石英光纖上，硅樹(shù)脂的表面張力作用會(huì)使其自動(dòng)形成回音壁微瓶，在脈沖光的泵浦下可在紅、綠、藍(lán)三個(gè)波段上實(shí)現(xiàn)激光輸出。2018年Fernandez-Bravo等[34]在直徑為5μm的聚乙烯微球上吸附一層Tm3+摻雜的NaYF4@NaGdF4核殼結(jié)構(gòu)納米晶[圖3(b）]。這種微腔在1064nm連續(xù)激光泵浦下實(shí)現(xiàn)了藍(lán)、紅兩個(gè)波段的上轉(zhuǎn)換激光輸出[圖3(c）、（d）]。上述兩項(xiàng)研究都是將稀土離子摻雜氟化物微晶與回音壁微腔結(jié)合實(shí)現(xiàn)激光輸出，這種結(jié)構(gòu)與微晶玻璃很相似，對(duì)于微晶玻璃回音壁微腔的研究具有很重要的參考價(jià)值。2 019年Ouyang等[35]通過(guò)調(diào)控玻璃組分，設(shè)計(jì)了玻璃基質(zhì)與析出的微晶折射率匹配的氟氧化物微晶玻璃，并用其制備微晶玻璃微球腔。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3(e）。由于微晶相與玻璃相的折射率相差較小，散射損耗較低，獲得的微晶玻璃微球具有較高的品質(zhì)因子（>105）。隨著熱處理溫度的升高，晶體長(zhǎng)大，散射損耗增加，導(dǎo)致微球腔的品質(zhì)因子快速下降[圖3(f）]，不利于激光輸出。同時(shí)，溫度升高的過(guò)程中，更多的Er3+富集在低聲子能量的NaYF4晶體中，非輻射弛豫被抑制，發(fā)光效率不斷增強(qiáng)。因此，在這兩個(gè)因素的共同作用下，激光的輸出效率隨熱處理溫度升高先增高后降低，而激光閾值的變化趨勢(shì)恰好相反[圖3(g）]。實(shí)驗(yàn)中測(cè)得460℃熱處理溫度下的微晶玻璃微球腔實(shí)現(xiàn)了最高效率的激光輸出，比前驅(qū)體玻璃高7倍。此實(shí)驗(yàn)也進(jìn)一步證明氟氧化物微晶玻璃有可能成為一種性能優(yōu)良的新型激光材料。降低散射損耗是制備高品質(zhì)因子微晶玻璃微球腔并實(shí)現(xiàn)高效率激光輸出的關(guān)鍵，主要可以從減小微晶相和玻璃相的折射率差以及控制散射相（微晶相）的尺寸及尺寸分布兩個(gè)方面著手。通過(guò)改善熔制玻璃和制備微腔的工藝，進(jìn)一步提高品質(zhì)因子，稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃回音壁微腔有望用于實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)波段和中紅外波段激光輸出。3.3 稀土離子摻雜氟氧化物微晶玻璃隨機(jī)激光器

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微晶玻璃光纖的研究進(jìn)展[J]. 方再金,鄭書(shū)培,關(guān)柏鷗,邱建榮.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2019(17)
[2]細(xì)胞激光器研究進(jìn)展及應(yīng)用綜述[J]. 杜夢(mèng)聰,劉倩倩,Marion Lang,王秀翃,王璞.  激光與光電子學(xué)進(jìn)展. 2018(12)



本文編號(hào)：3041124