基于稀土离子共掺杂铋酸盐玻璃微纳光纤的中红外微腔激光器研究

The active microcavity laser devices from micro/nano-fiber on mid-infrared 3 μm wavelengths have special applications in many important fields. The bismuthate glass possesses low phonon energy, large refractive index and stable physicochemical properties. The microcavity lasers at around 3μm wavelengths based on micro/nano-fibers from the rare earth ions codoping bismuthate glass is expected to be realized. Based on the mode transmission characteristics of micro/nano-fiber microcavity lasers and energy transfer properties between codoped rare-earth ions, and according to the rate equations model, the general theoretical model is established to research the dynamics mechanism on micro/fiber microcavity lasers. Meanwhile, gas bubbling and fluorination are combined to minimize -OH ion content in bismuthate glass. Base on the properties of increased mid-infrared laser intensity from the energy transfer between rare earth ions, considering the glass host component and codoped rare earth ions, and combining the technologies of micro/nano-fibers directly drawn from bulk glasses, micro-controlling and UV glue packaging, the microcavity lasers from rare earth codoping bismuthate glass micro/nano-fiber are prepared. The important optical parameters of micro/nano-fiber microcavity lasers are experimentally characterized. The optimal conditions are identified and technical routine is experimentally verified. Finally, the microcavity laser from rare earth codoping bismuthate glass micro/nano-fiber is realized with the wavelength on mid-infrared 3μm wavelengths.

中红外3μm波段微纳光纤有源微腔激光器件在很多重要领域具有特殊应用。铋酸盐玻璃具有声子能量低、折射率大、物理化学性能稳定的特点，以掺入稀土离子的铋酸盐软玻璃微纳光纤为工作介质的微腔激光器有望实现3μm波段激光输出。本项目根据微纳光纤微腔激光器的模式传输特性和共掺杂稀土离子的能量转移特性，基于速率方程理论，构建描述该系统的模型，深入研究微纳光纤微腔激光器的动力学机理。同时，综合利用气体鼓泡和氟化方法，降低铋酸盐玻璃中的-OH；并利用稀土离子之间能量传递可有效增强其中红外发光强度的特性，综合考虑玻璃基质组分和掺杂种类，结合熔融软玻璃拉丝法、微控制和紫外胶封装等技术，制备基于稀土共掺杂铋酸盐玻璃微纳光纤的微环腔激光器，实验表征其光学参数，明确微纳光纤微环腔激光器的最优化条件及实验验证技术路线。最终实现基于稀土共掺杂铋酸盐玻璃微纳光纤的微环腔激光器在中红外3μm波段的激光输出。

中红外微腔激光器具有品质因数高、响应速度快、相干性好、易于集成、波长处于大气窗口等特点，在医疗、传感、通讯等众多领域均具有重要而广泛的应用。本项目以获得低声子能量低、高折射率、低水吸收的中红外功能玻璃并实现中红外微腔激光输出为出发点，从理论和实验方面详细开展了铒(Er3+)/铥(Tm3+)掺杂铋酸盐玻璃及由其制备的微球腔激光器的研究。首先，对稀土离子掺杂铋酸盐玻璃组分进行了优化设计，并采用高温熔融法制备了组分为(57-x)PbO-xPbF2-25Bi2O3-18Ga2O3(x=0、2、4、6、8、10、12、15)、掺杂Er2O3为0.5mol%的掺Er3+铋酸盐玻璃，对其热稳定性、光谱特性的表征和分析表明，当PbF2含量为10mol%时，玻璃具有良好稳定性，声子能量低于550cm-1，在3μm附近OH-吸收系数仅为0.04cm-1；并且，该组分玻璃在2.7μm附近有很强的辐射，受激辐射截面达到1.54×10-20 cm2，辐射带宽约为184.4nm。其次，熔制了组分为47PbO-10PbF2-25Bi2O3-18Ga2O3、掺杂Tm2O3为0.5mol%的掺Tm3+铋酸盐玻璃。对样品的光谱特性进行了测试和分析，其最大辐射截面为4.42×10-20 cm2；对样品增益截面的分析表明需要很小的粒子数反转比率(P~0.2)就能够实现增益介质在1916nm处的正增益。最后，理论上分析了锥形光纤和微球谐振腔的耦合过程，实验上结合了熔融拉锥法、熔融玻璃拉丝法和微控制技术制备了直径不同的掺Tm3+铋酸盐玻璃微球激光器。对于直径约为20μm的微球激光器，在泵浦功率增加到50mW过程中，激光器一直保持~2μm波长的单模激光输出，峰值线宽为0.087nm，并且在最大泵浦功率处没有观察到微球出现热损伤情况。同时，基于激光器速率方程理论，建立了描述稀土离子掺杂铋酸盐玻璃微球腔激光器的速率方程模型，对激光器的腔动力学机理进行了模拟，并基于实验过程及实验结果对模型进行了修正。本项目提出了一种热稳定性好、声子能量低、工作于中红外波段的功能玻璃，并实现了微球腔激光器的激光输出，研究成果能够作为激光玻璃材料、光电子器件和集成微系统方面的有力补充，应用前景广阔。