[发明专利]一种基于Tm3+掺杂的氟化物玻璃微球激光器

说明书

本发明为一种基于Tm³⁺掺杂的氟化物玻璃微球激光器，属于固体激光器领域，主要包括微纳光纤、掺Tm³⁺的ZBYA的氟化物玻璃微球、泵浦源和光谱仪；泵浦源、微纳光纤、掺Tm³⁺的ZBYA的氟化物玻璃微球、光谱仪依次通过单模光纤耦合。本发明采用CO₂激光器微加工的方式制备Tm³⁺掺杂的ZBYA氟化物玻璃微球，实现了Tm³⁺掺杂的ZBYA氟化物玻璃微球2微米激光输出。本发明中的激光器具有低阈值、高Q值的特点；且结构简单，可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化，为激光技术提供了新的基质材料。本发明得到的2μm激光，可以应用于集成光子学、低阈值激光、高灵敏度生物传感、腔光力学等诸多领域。

技术领域

本发明属于固体光纤激光器领域，具体涉及一种基于Tm³⁺掺杂的氟化物玻璃微球激光器。

背景技术

微球激光是基于回音壁模式Whispering Gallery Modem,即WGM的微腔激光。WGM具有长相干长度、窄光谱线宽、低阈值、高转化效率、高速调制等特点，其微腔的谐振横截面为环形结构，光沿环形横截面边界不断发生全内反射循环并形成谐振。WGM模式微腔的形状有很多种，包括球形、瓶形、盘形以及环形等。WGM模式微腔可以由多种材料制备获得，同时包括固态和液态形式的材料。由于其结构简单，内表面光滑，因此它的Q值极高，通常高于10⁶，最高可达10¹⁰。基于WGM原理的微球激光具有极高的品质因子Q值和极小的模式体积以及非常宽的频段覆盖能力。有源回音壁模式微腔是一种特殊的微型激光器，与宏观激光器类似，它也需要满足激光谐振条件才能实现激光输出。激光谐振条件包括四部分，第一是腔内实现有效谐振；第二是腔内具有增益材料，它是产生激光的关键部分；第三是根据腔内掺杂增益材料的吸收波段，选择相应的泵浦激光器；第四是在腔内实现增益大于损耗。具体到有源回音壁模式微腔，其回音壁模式即是高效谐振，再采用有源增益介质制备回音壁模式微腔，选择合适的泵浦源，即可在低阈值下实现激光器的小型化和集成化，但由于微腔的腔长较短，通常直径在20-500μm之间，因此谐振腔的增益长度一般小于1mm，需要增益材料具有高的增益系数才能实现激光输出。

在多种工作波段的激光器当中，激光输出在2μm附近的掺铥激光器尤其受到人们的关注。2μm波段属于人眼安全的工作波段，水中的吸收系数高，大气穿透能力强且存在几个低损耗的窗口，同时还被认为是3-5μm光参量振荡的有效抽运源，在测距、雷达、遥感、探测空间、光通信、医疗、军事等领域都有着广泛的应用。Tm稀土离子由于其³F₄→³H₆能级跃迁可产生2μm范围发光，且泵浦源的选择上可以根据许多限制选择不同波长的LD或其他光源，常见的有793nm和808nm泵浦源。目前已有报告的掺铥光纤激光器的研究主要包括：1)利用光纤光栅作为选频元件，优势在于实现了全光纤结构，但该方法中所用的2μm光纤光栅价格昂贵且国内不具备自主生产能力；2)利用光子晶体光纤作为选频元件，结构简单但同样成本较为昂贵；3)利用二色镜组成F-P腔提供频率选择，该方法制作的激光器往往体积较大；4)利用掺杂光纤微球作为选频元件，优势在于所产生激光功率阈值较低；因此，开发一种制作工艺简单、低成本、低激光功率阈值的2μm微球光纤激光器具有重要的应用价值。