基于Ho的制作方法

基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃材料、玻璃微球、微球激光器的制作方法
技术领域
[0001]
本发明涉及微腔激光器技术领域，尤其涉及一种基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃材料、玻璃微球、微球激光器的制作方法。


背景技术：

[0002]
近年来，波长约为2.0μm的人眼安全波段激光在激光医疗系统、相干激光雷达、激光成像、中红外遥感化学传感、中红外激光泵浦源等领域的应用已引起广泛关注。常见的能够产生2.0μm激光辐射的稀土离子包括铥离子(tm
3+
)和钬离子(ho
3+
)。tm
3+
离子在常用的793nm或808nm半导体激光器的激发下，tm
3+
:3f4→3h6跃迁过程可产生2.0μm波段的激光。学者们已经对tm
3+
掺杂的2.0μm光纤激光器展开了大量的研究。
[0003]
ho
3+
:5i7→5i8跃迁同样可产生2.0μm波段的激光。然而ho
3+
不能用常见的980或808nm商业激光二极管直接泵浦。根据ho
3+
掺杂zblan玻璃的吸收光谱，ho
3+
在1150nm波段附近具有强烈的吸收，因此，本发明利用1150nm拉曼激光器直接泵浦ho
3+
离子得到了2.0μm波段的激光。
[0004]
高品质因子(q值)的回音壁模式(wgm)微腔由于其在低阈值、窄线宽激光器和拉曼激光器的潜在应用，已经成为学者们的研究热点。基于wgm模式的微球腔具有很强的光限制能力，具备比其他微腔结构跟高的q值，因此可实现低阈值和高耦合效率的激光器。目前，微球激光器介质材料主要集中在碲酸盐、磷酸盐、二氧化硅和氟化物玻璃材料。与其他玻璃材料相比，氟化锆基玻璃具有声子能量低，透过窗口宽，对稀土溶解度高，受激发射截面大等优点，从而具有高增益效果。另外，由于其玻璃转变温度低，因此可以在相对较低的温度下制备成微球。zblan玻璃是一种著名的氟化锆基玻璃，具有宽的透明窗口(λ～0.22-6μm)和低声子能量(580cm-1
)，已在光纤激光器和放大器中得到了广泛的应用，并且表现出优异的光学性能。
[0005]
随着光信息技术的发展，对于光学器件的尺寸要求日益增高。玻璃微球以其极高的q值和极小的模式体积特性在低阈值激光发射、集成光学、非线性光学、传感和量子通讯等领域有着广阔的发展前景。
[0006]
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球激光器，可产生2μm波段低阈值的激光发射。


技术实现要素：

[0007]
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何制备一种基于ho
3+
掺杂的zblan氟化锆基玻璃微球激光器，以实现低阈值2μm近红外波段的激光输出。
[0008]
为了解决上述问题，本发明提出以下技术方案：
[0009]
第一方面，本发明提供一种基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃材料，zblan玻璃材料按摩尔百分比组成表示的化学式为：53 zrf
4-19 baf
2-4 laf
3-3 alf
3-20 naf，并掺杂浓度
1mol％的ho
3+
离子，以上各组成摩尔百分比之和为100％。
[0010]
进一步地，所述ho
3+
离子以hof3形式内掺引入。
[0011]
第二方面，本发明提供一种ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的制备方法，包括以下步骤：
[0012]
步骤1、按摩尔百分比组成表示的化学式53 zrf
4-19 baf
2-4 laf
3-3 alf
3-20 naf，并掺杂浓度1mol％的ho
3+
离子，计算出高纯原料质量比后称量，在玛瑙研钵中进行研磨并充分混合均匀；
[0013]
步骤2、将混合均匀的原料倒入铂金坩埚中，于800～900℃熔化并保温1～3h；
[0014]
步骤3、将溶体玻璃倒在预热过的铜板上，并从熔融的玻璃液中进行拉丝，冷却后制成ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃纤维；
[0015]
步骤4、用陶瓷加热器加热所述ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃纤维的末端，制备成ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球。
[0016]
进一步地，所述步骤1中的ho
3+
离子以hof3形式内掺引入。
[0017]
进一步地，所述步骤4中制备成的ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球直径范围为40-60μm。
[0018]
第三方面，本发明提供一种基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的微球激光器的制备方法，包括以下步骤：
[0019]
步骤1、对单模光纤的耦合区域进行拉锥，制得微纳光纤，锥身直径1～2μm；
[0020]
步骤2、将单模光纤一端连接泵浦光源，另一端连接光谱分析仪；
[0021]
步骤3、将所述微纳光纤和ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球处于临近接触状态，利用泵浦光经过微纳光纤所产生的倏逝场将泵浦光耦合进zblan玻璃微球。
[0022]
可以理解地，本发明中，微纳光纤是通过拉锥方式获得，属于单模光纤的一部分，二者为一体；由于单模光纤的首尾两端还需与仪器(设备)连接，因此，耦合区域需避开此首尾两端的区域。
[0023]
进一步地，所述微纳光纤的锥身长度为2-6毫米。
[0024]
可以理解地，由于拉锥方式不同，微纳光纤的锥腰长度和直径均有所不同，本发明只需要限定微纳光纤的锥身直径以及锥身长度即可控制激光耦合区域。对于锥腰的尺寸，本发明不做限定。
[0025]
进一步地，所述步骤2中，泵浦光源为1150nm拉曼激光器。
[0026]
所述临近接触状态是指，微纳光纤的锥身与ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的距离为0-2微米。
[0027]
本发明还提供一种基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的微球激光器的调节方法，所述调节方法包括以下步骤：
[0028]
步骤1、将微纳光纤和ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球进行耦合，调节耦合位置使微纳光纤的锥身与ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球处于临近接触状态；
[0029]
步骤2、提高1150nm激光器的泵浦功率到3.36mw，得到2μm波段的单模激光。
[0030]
需要说明的是，在实际应用中，在泵浦功率到3.36mw时，可观察到2.067nm处单模激光，其线宽为0.12nm。
[0031]
可以理解地，该3.36mw功率值为激光的最低阈值功率，当泵浦功率继续增加，2μm
波段激光的输出功率也随之线性升高。
[0032]
与现有技术相比，本发明所能达到的技术效果包括：
[0033]
本发明提供的基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃材料，具有优异的光学性能。
[0034]
本发明提供的基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的制备方法，用基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃材料利用陶瓷加热器加热的方法，在玻璃纤维一端熔制成微球得到，加工方便。
[0035]
本发明提供的基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的微球激光器，耦合方式采用微纳光纤耦合，利用光源激光传输到微纳光纤部分产生的倏适场将泵浦光耦合进微球当中，耦合效率高且制备成本低廉。本发明提供的基于ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球的微球激光器，具有低阈值、窄线宽，且结构简单，可实现2μm波段激光器的小型化和集成化。
[0036]
本发明得到的2μm近红外波段激光，可以应用于量子通讯、高灵敏度传感、集成光学等诸多领域。
附图说明
[0037]
图1是本发明的一个较佳实施例的微球激光器的光路示意图；
[0038]
图2是本发明的一个较佳实施例的微球激光器在2μm波段单模激光发射光谱图(内图为放大细节图)；
[0039]
图3是本发明的一个较佳实施例的微球激光器的2μm波段单模激光的斜率效率光谱。
[0040]
附图标记
[0041]
1-1150nm拉曼激光器；2-光谱分析仪；3
–
微纳光纤；4-单模光纤；5-ho
3+
离子掺杂zblan玻璃微球；6-ccd相机；7-笔记本电脑。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，附图中类似的组件标号代表类似的组件。显然，以下将描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0044]
还应当理解，在此本发明实施例说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明实施例。如在本发明实施例说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0045]
可以理解地，由于ho
3+
)掺杂的量不同，得到的zbya玻璃材料的性质也不相同。在本申请的范围内，ho
3+
的用量以1.0mol％为最佳。
[0046]
实施例1：
[0047]
1、制备掺ho
3+
的zblan氟化锆基玻璃及玻璃纤维：
[0048]
(1)将高纯度的原料按配比53 zrf
4-19 baf
2-4 laf
3-3 alf
3-20 naf-1 hof3进行称量，将称量好的原料放在玛瑙研钵中进行研磨，使各种原料充分混合；
[0049]
(2)然后将混合好的原料装入铂金坩埚中，并加盖保护，置于手套箱的高温炉内850℃保温2h；
[0050]
(3)将溶体玻璃倒在240℃预热过的铜板上，从熔融的玻璃液中进行拉丝，冷却后制成ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃纤维；
[0051]
2、利用陶瓷加热器加热zblan玻璃纤维的末端熔制成玻璃微球：
[0052]
将zblan玻璃纤维一端逐渐靠近陶瓷加热器(温度约1300℃)，玻璃纤维的末端受热收缩，由于表面张力的作用，制备成连杆的玻璃微球，此实施例中的zblan微球直径为47μm。
[0053]
3、将单模光纤4的耦合区域拉锥到直径1.5μm左右，得到微纳光纤3。如图1所示，单模光纤4的一端连接1150nm拉曼激光器1，单模光纤4的另一端连接光谱分析仪2。
[0054]
4、将ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球5与微纳光纤3进行耦合，调节耦合位置使二者处于临近接触状态(0-2μm)；
[0055]
5、在ho
3+
离子掺杂的zblan玻璃微球5的位置上方固定一个ccd相机6，并将ccd相机6连接笔记本电脑7，通过电脑软件对耦合位置图像进行观察。
[0056]
6、提高1150nm拉曼激光器1的泵浦功率至3.36mw，在电脑上观察到2.067nm处单模激光，其光谱图和斜率效率图如图2、3所示。
[0057]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
[0058]
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。