Laser & Photonics Reviews:基于Tm3+掺杂微晶玻璃的高性能2 μm微腔激光器

高性能~2 μm中红外微型激光器在传感、生物医学、环境监测等领域具有广泛应用,因而受到了众多研究者的关注。通常情况下,泵浦阈值和斜率效率等激光性能与光学增益材料密切相关。由均匀玻璃相和良好分散纳米晶相构成的微晶玻璃材料结合了玻璃(容易制备、优异的光学透过率、良好的化学稳定性)和晶体(强晶体场、易于激光输出)的品质,被认为是理想的光学增益介质。此外,回音壁模式光学微腔具有超高的品质因子和极小的模式体积被广泛应用于微型光电子器件中。作为一种有效的谐振腔,表现出卓越的光子限域效应和高的能量密度,有助于产生增强的光与物质相互作用,因而能够实现低阈值、高效率的高质量激光输出。

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借助于微晶玻璃材料优越的光学性能和回音壁光学微腔有效的谐振模式制备了Tm3+掺杂的碲酸盐微晶玻璃微球,并对其激光性能进行了详细的研究。将前驱体微球置于合适的温度场条件下进行热处理获得了含有Bi2Te4O11纳米晶的微晶玻璃微球。通过瑞利散射模型分析了纳米晶尺寸对微晶玻璃透过率的影响,这一结果对制备高质量微晶玻璃微球有着指导意义。文中通过精确调控纳米晶的尺寸和分布,一方面诱导激活离子Tm3+由非晶态玻璃基质选择性的进入到强晶体场纳米晶体中,有利于获得增强的光学性能,另一方面有效抑制纳米晶对光的散射效应,获得了品质因子高达105的高增益低损耗微晶玻璃微腔。与前驱体玻璃微腔相比,在微晶玻璃微腔中激光阈值降低了约63%,斜率效率提高了约5.5倍

研究者相信,此项研究对光功能微晶玻璃材料在微型激光器领域的发展具有重要意义。在未来研究中,通过合理设计微晶玻璃组成、优化激活离子掺杂、调控纳米晶尺寸和分布等措施,将会实现不同波段且性能更加优异的激光输出,广泛应用于不同的光电子领域中。相关结果发表在Laser & Photonics Reviews(DOI: 10.1002/lpor.201900396)上。