铁电陶瓷中随机激光可控性的研究

Random laser , as a novel nanosized laser source, has very important potential values in the application of miniaturization and integration of devices. Recent research found that PLZT ceramics, one of the traditional laser gain materials, could form weak localization of light and random lasers under certain conditions. Therefore, when they are used as gain medium both in traditional lasers and random lasers, the exploration and study of the transfer condition and related physical process involved are needed. Based on the above content, this random laser could be modulated further. This project aims at above-mentioned problems, firstly, we propose to achieve the transition from traditional lasers to random lasers with rare earth doped PLZT materials, and analyze the transition condition and inner mechanisms. Afterwards, we propose to modulate the threshold of the transition by changing the concentration of rare earth dopants and designing surface structures of the material. At last, we propose to achieve the method to modulate the output power, direction and wavelength by further optimizing the surface structure of the sample based on the excellent EO effect, pyroelectric effect and photorefractive effect of PLZT materials. It is promising in providing novel nanosized controllable laser sources based on this study.

随机激光器作为一种纳米级别的新型激光光源，在器件小型化和集成化方面有着重要的潜在价值。近期研究发现，作为传统激光增益材料的锆钛酸铅镧（PLZT）陶瓷在一定条件下有机会形成弱光子定域效应和随机激光。因而，当将其同时用作传统激光和随机激光增益介质时，其转换条件和所涉及的物理过程需要深入探索和认识；在此基础上，可以通过相关手段对产生的随机激光做进一步调谐。本项目针对以上问题，首先，利用稀土掺杂PLZT陶瓷实现传统激光到随机激光的转换，并对其转换条件和内部机理进行分析；其次，通过对稀土元素掺杂浓度的调节和材料表面结构的设计，对传统激光到随机激光的产生阈值进行调节；最后，基于PLZT材料优良的电光效应，热释电效应及光折变效应，利用表面结构进一步优化后材料，通过外部光、电及温度条件的控制，实现对随机激光的输出功率、方向以及波长的调控。本项目的研究有望为微纳尺度的新型可控激光光源提供新的思路。

随机激光器不需要谐振腔因而具有较小体积，可以将其应用到生物医学，传感器以及光纤通讯等方面。随机激光出射模式以及出射方向的随机性致使其在某些应用方面受限，因此本课题中负责人在研制高性能随机激光的基础上，对其模式和方向等进行了可行性控制的研究。已实现的研究结果如下：.1）实现了稀土离子掺杂PLZT 陶瓷中的随机激光，并对其内部能量传递和离子跃迁的机理进行了深入分析。详细研究了Ho3+离子和Tm3+离子掺杂锆钛酸铅镧样品中的离子跃迁过程，并成功实现了2.0微米附近的随机激光。此部分结果对深化理解Ho3+离子和Tm3+离子掺杂中激光的发光中心具有指导意义。值得注意的是，该样品中随机激光的模式在较高温度下（600K）只有很少的减弱，这对于激光器的稳定性是非常有益的。.2）基于 PLZT 优良的光色效应，通过对外部紫外光辐照条件的控制，实现对随机激光的输出模式的调控。通过研究发现，材料的晶粒尺寸相差很大，这使得材料的边界处会会聚集大量的电荷，形成折射率的突变。另外，稀土离子和铅离子价位不平衡，在样品中将形成大量的空位和间隙。当使用紫外光辐照在稀土离子掺杂PLZT样品上时，样品的透射率迅速的下降到原来的91%左右。若在未恢复到初始状态前，使用808 nm的红外激光器辐照在样品表面时，样品的透过率将迅速的恢复到初始状态。这一效应在能量存储、激光模式调控、智能光电探测等方面有潜在的应用价值。.3）用过改进CVD生长方式，在二氧化硅样品上生长出CsPbBr3圆盘阵列样品其形状大小不一的随机排列。在使用532nm的拉曼激光光源照射下，不同的圆盘样品由于其内反射的作用，在每个圆环下产生了等间距的激光模式排布。圆盘的半径不同时，所产生的激光模式有一定的峰值移动，对应了不同的驻波模式形成。通过控制PEO的含量去控制样品的散射强度，散射强度的增强对于提升样品的荧光强度、降低随机激光的阈值均起到了非常重要的作用。由于PEO材料的包覆，样品与外界水分和氧气隔离，这使得样品的激光性能和稳定性均得到了极大地提升。.