光子玻璃局域结构设计与脉冲激光产生

光纤激光器在先进制造、国防和医学等领域都具有十分广泛的应用。它的一个重要发展方向是研制全光纤化高功率脉冲光纤激光器,其中一个关键点是如何在光纤中实现脉冲激光产生,并能与现有光纤激光器完美融合。虽然现有的脉冲调制材料(如贵金属纳米复合材料、石墨烯和碳纳米管以及拓扑绝缘体)已经被证明可用于激光脉冲的产生,但其在长期工作稳定性以及和光纤连接等方面仍具有较大局限性。光子玻璃具有优异物理化学性能(如高稳定性和抗激光损伤阈值),且容易制备成光纤。因此,如果能在光子玻璃中实现脉冲调制功能,对于实现真正意义上的全光纤脉冲激光器具有重要意义。

近日,华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室的周时凤教授、山东大学晶体材料国家重点实验的于浩海教授和相关研究人员合作,设计并制备了高品质的Cr4+离子激活光子玻璃,并以此作为被动调Q光学元件实现了Nd3+离子在1064 nm的稳定纳秒脉冲输出。研究采用原位结晶策略实现了非晶态基质中Cr离子价态和局域化学环境的同步调控,实验数据表明Cr3+和Cr4+离子在光子玻璃中分别位于不同局域结构单元中,有效抑制了能量传递过程。重要的是,研究证实了基于该局域化学环境剪裁的光子玻璃,是一种高效的脉冲产生介质,实现了Nd3+离子在1064 nm的被动调Q脉冲输出,重复频率为250 KHz,脉宽为176 ns。此外,通过熔融-纤芯法成功制备了结构均匀的光子玻璃光纤,有望应用在全光纤化的脉冲激光器中。研究者认为,这一方法构建了光子玻璃宏观光学响应与微结构之间的关系,对于相关无定形材料体系的功能化具有参考意义。相关文章在线发表在Advanced Optical Materials(DOI: 10.1002/adom.201801413)上。