纳米晶复合玻璃回音壁模式微型激光器

氟氧化物微晶玻璃兼具了氧化物玻璃良好的物理化学特性和氟化物晶体的低声子能量、高稀土溶解性,是一种非常优异的稀土离子掺杂基质。目前对稀土离子掺杂的氟氧化物微晶玻璃的研究主要集中在增强发光的机理上,而对其作为激光材料方面的研究报道的很少。

华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室董国平教授课题组对氟氧化物微晶玻璃用于制备激光材料进行了初步探讨:用Er3+掺杂的前驱体裸光纤制备出微球腔,通过可控析晶手段在微球腔中析出NaYF4微晶。在锥形光纤近场耦合的方式激发下,收集并比较析晶前后微球腔输出的激光信号,可得出在有效抑制了氟氧化物微晶玻璃的散射效应后,微晶玻璃比前驱体玻璃更适合用作激光材料。

图(a):微晶玻璃回音壁模式微型激光器装置图;图(b):不同热处理温度下微晶玻璃微球腔输出激光光谱;图(c):不同热处理温度下微晶玻璃微球腔输出激光的阈值与斜率效率。

激光材料的最基本要求是高增益、低损耗。稀土离子掺杂的氟氧化物微晶玻璃在析晶的过程中,稀土离子会趋向于取代晶体中与之电价相同、半径相近的离子(本文Er3+取代NaYF4晶体中的Y3+),富集在氟化物微晶中,增益提高。与此同时,微晶相的析出会造成散射效应增强,损耗增加。因此微晶玻璃用作激光材料的关键是降低散射效应。通过散射理论可知,减小微晶相与玻璃相的折射率差可有效降低散射效应。本文通过调控玻璃配方,使得基质玻璃与析出的微晶之间的折射率差小于0.05,极大降低了微晶玻璃的散射损耗。最终我们制备的微晶玻璃微球腔品质因子都达到105数量级以上,并且与基质玻璃微球腔相比,微晶玻璃微球腔可获得更低阈值(低~60%),更高斜率效率(~7倍)的激光输出。

研究者相信,此项研究对微晶玻璃激光材料有较大的推动意义。未来,进一步减小基质玻璃与微晶之间的折射率差,采取更有效的方法控制微晶的形貌及尺寸分布,并优化激活离子(稀土离子、过渡金属离子、敏化离子共掺等)在玻璃相与微晶相中的分布,微晶玻璃有望成为性能更加优异的激光材料。更为重要的是,利用微晶玻璃作为激光增益介质的思路,有望在氧化物玻璃基质中实现稀土离子上转化可见激光和下转换中红外激光的输出,从而显著拓展微晶玻璃在光电子等领域的实际应用。相关论文在线发表在Advanced Optical Materials (DOI: 10.1002/adom.201900197)上。