[发明专利]基于中空光纤内置微球谐振器的上转换荧光发光调节器件

说明书

本发明公开了一种基于中空光纤内置微球谐振器的上转换荧光发光调节器件，具体公开了一种铒镱共掺含铅玻璃材料，所述玻璃材料的摩尔组成按化学式表示为：45PbO‑45GeO₂‑4.5Ga₂O₃‑0.5Er₂O₃‑5Yb₂O₃。还公开了一种铒镱共掺含铅玻璃微球的制备方法以及一种基于中空光纤内置微球谐振器的上转换荧光发光调节器件的制备方法和调节方法。本发明首次实现有源微球谐振腔在光纤内部的空间耦合和发光颜色调节，这种成本低廉、制备简单、性能稳定的集成光子学器件可应用于三维显示、三维打印以及可见光光源等众多领域。

技术领域

本发明涉及光纤激光器技术领域，尤其涉及一种基于中空光纤内置微球谐振器的上转换荧光发光调节器件。

背景技术

近年来，稀土离子掺杂的发光材料颇受关注，因为其具备光致发光特性和潜在的应用价值。通过高能量的近红外激光泵浦，掺杂稀土离子的玻璃基质材料可以实现近红外到可见光的上转换发光，并可以应用于三维显示、激光器光纤放大器和荧光制冷等多个领域。通过掺杂稀土玻璃基质上转换发光，具有成本低廉、操作简单、易于集成等优点。因此探索和研究掺杂新稀土材料及其物理、化学和光学特性，来获得高效率、低损耗的材料，具有重要的意义。在对稀土元素的研究进展中，铒离子的上转换发光理论最为成熟。在掺铒玻璃材料中，利用近红外（980nm）激光泵浦可以得到较强的双光子吸收红绿光上转换荧光发光，量子转换效率较高。基于红绿光上转换荧光发光进行光学传感器（温度传感）以及光纤激光器和放大器的研究日渐增多。其中，研究人员发现通过改变基质材料或者掺杂浓度可以实现上转换发光颜色的调节。以铒镱铥三掺玻璃材料为例，理论上可以实现由红-黄-绿-白-蓝的颜色调节，在三维显示等方面有重要的应用。但是，基于改变基质或浓度来实现颜色调节的研究都需要制备多个样品，而且大多数研究都是将玻璃制备成块状进行测试，所需的激发功率较大，在一定程度上限制了这类光学材料的进一步的发展与应用。

目前，回音壁模式的光学谐振腔吸引了研究者的广泛兴趣，借助于微腔品质因子高、模式体积小、能量密度极高的特点，利用多组分玻璃微腔的制备技术，将稀土玻璃材料与回音壁模式微腔相结合，使稀土掺杂材料的发光效率、转换效率大幅度提高。回音壁模式的光学谐振腔是指对光波起到空间和时间上的局域增强作用以及频率选择作用的光学元器件。在时间上的限制作用以品质因数来表征，在空间上的局域作用以模式体积来表征。其中具有高品质因子的微球腔备受人们关注，在非线性光学、光通信技术、微传感器、腔量子电动力学以及微型激光器等各个基础与应用领域具有广泛的应用。利用拉锥光纤与微球腔耦合系统，大大提高了激励光功率密度，提高了发光效率，在量子光学、微传感、腔量子电动力学、微激光器等领域已经有广泛的理论与应用研究，是研究非线性光学现象的一个很好的平台，许多研究成果也被相继报道。

然而，锥光纤-微球耦合系统，由于其易受到周围温度等环境因素的影响，且结构本身在用紫外胶封装之后无法在高温环境下工作等缺点，很难适应微型集成光电子器件的发展要求。到目前为止，还没有在光纤内部实现耦合激发稀土掺杂增益微球的相关报道。如果能制备这种光纤内置增益微球的集成器件，在光学传感器、微型激光器等领域一定会得到广泛的应用。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于中空光纤内置微球谐振器的上转换荧光发光调节器件，结构紧凑，制备简单，不易受到外部环境的影响，可用于制备光学传感器、微型激光器，且有望用于三维显示、三维打印以及可见光光源等众多领域。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何设计一种可以内置增益微球的光纤结构，并能成功耦合激发微球，实现荧光甚至是激光输出，结构紧凑，制备简单，克服了锥光纤-微球耦合系统易受环境影响的缺点，制备出的集成器件可以通过调节泵浦功率强度来实现发光颜色的调节，为稀土掺杂玻璃发光材料的应用开辟新的途径。