2μm波段硫系玻璃微球激光器的制备和表征

工作在2μm波段附近的中红外微球激光器在生物医学传感、激光雷达、窄带光学滤波和空气污染监控等领域具有重要的应用价值.本文以自制的Tm~(3+)-Ho~(3+)共掺的Ge-Ga-Sb-S (2S2G)硫系玻璃为基质材料,采用玻璃粉末高温漂浮熔融法批量制备了高品质(典型品质因数大于10~5)硫系玻璃微球.优选一颗直径为205.82μm的微球为实验对象,利用光纤锥耦合法对其进行光学近场耦合实验.在808 nm抽运光的作用下,在1.8—2.1μm波段处可观测到明显的荧光回廊模现象.当抽运功率达到0.848 mW的阈值时,可在2080 nm附近观测到明显的激光输出.上述实验结果表明本文采用的2S2G硫系玻璃具有用于制备工作在中远红外波段的有源光学/光电子学器件的潜力.     

无源Ge_(28)Sb_(12)Se_(60)硫系玻璃微球谐振腔的制备及其光学回廊模式表征

为了对硫系玻璃微球谐振腔在中短红外波段的光学回廊模式进行理论研究和实验表征,用熔融淬冷法制备了组分为Ge28Sb12Se60的无砷环保型硫系玻璃,并在此基础上采用漂浮粉末熔融法批量制备出直径分布为50~200μm的微球谐振腔.在显微镜下挑选出直径分别为112.01μm和57.63μm的一大一小两颗微球与自制石英微纳光纤锥进行近场耦合实验,以窄带宽可调谐激光器为泵浦源测试此耦合系统在1 530~1 560nm波段的光谱.光谱中明显观测到由微球回廊模式谐振引起的等间距分布的光谱吸收峰.小球、大球的吸收峰间距分别为5.22nm和2.60nm,与米氏散射理论计算得出的一阶TE回廊模谐振峰间距基本相符.实验结果表明新型Ge28Sb12Se60硫系玻璃有望在红外微球光子器件如窄带滤波器、微球喇曼激光器、高灵敏度传感器等领域获得重要应用.     

808 nm LD激发下高折射率差光纤锥-硫卤微球耦合系统的荧光回廊模

用熔融淬冷法制备了0.5wt.%掺杂Nd3+:75GeS2-15Ga2S3-0CsI(0.5wt.%Nd-GGSI)硫卤玻璃.在此基础上以玻璃粉料漂浮熔融法制备出粒径为50~300μm高折射率(n≈2.1)玻璃微球,并在显微镜下选出表面质量高的硫卤微球用于后续实验.将火焰法拉制出的直径1~2μm间的双锥形石英微纳光纤与硫系微球进行近场耦合.相位匹配条件下测试结果表明光纤锥倏逝场将激发球内径向高阶回音壁模式.实验测量了在808nm LD激光泵浦下直径110μm微球的荧光光谱特性,结果表明:掺Nd3+硫卤微球在输出端1 075nm波段附近产生了等间距分布的荧光回音壁模式的光学谐振,共振峰间隔为1.80nm.实验结果与微球腔回音壁模式谐振的理论模型有较高的符合度.     

热压法制备的碲酸盐玻璃微盘

提出一种热压法制备微盘激光器的工艺,仅使用实验室常用电阻加热炉具即可制备出不同直径/厚度的微盘激光器.选用TeO_2-ZnO-Na_2O碲酸盐玻璃为基质材料,制备出直径分布在100—400μm范围内、最小厚度可达8μm、典型品质因数(Q值)约为10~5的微盘激光器.对碲酸盐玻璃基质材料掺入稀土离子Nd~(3+)和Tm~(3+),通过光纤锥耦合法开展微盘的抽运耦合实验,即可在耦合系统的输出光谱中获得明显的荧光回廊模式和激光模式.以一颗直径为105.74μm、厚度为10.4μm的Nd~(3+)掺杂微盘为例,当抽运光功率提升至1.364 mW以上时,即可在1.06μm附近获得激光峰.同样实验表明,对Tm~(3+)掺杂的微盘进行抽运耦合实验可获得1.9μm附近的激光峰.     

Nd~(3+)掺杂硫系玻璃微球荧光腔量子电动力学增强效应

采用粉料漂浮高温熔融法自制Nd3+掺杂硫系玻璃微球,研究了腔量子电动力学增强效应对稀土掺杂硫系玻璃微球荧光光谱的影响。把直径90.53μm的硫系玻璃微球与锥腰直径1.02μm的石英光纤锥耦合,将808nm抽运激光导入微球,荧光光谱存在分立的共振峰。根据米氏散射理论公式,计算得到TE偏振态下基模的三个共振峰位置,确定了这三个共振峰的模式序数。增强因子η≈1122,这表明微球荧光自发辐射速率增强幅度为1122倍。在基模条件下对原增强因子公式进行近似化简,并利用近似公式进行估算得到η≈1167,误差为4%。     

掺铒磷酸盐玻璃微球吸收光谱上的形貌共振

利用高温熔融冷却法制备了直径为82．4μm的掺铒磷酸盐玻璃微球，并利用熔融拉丝法制备了锥腰直径为2．3μm的熔锥光纤与其进行耦合，发现了掺铒玻璃微球吸收光谱中出现的等间距分布的滤波谱线。利用光学微球腔理论讨论了玻璃微球吸收光谱中的形貌共振现象，计算出该耦合系统的品质因数为1．31×10^4。利用Mie散射理论计算了谱线的吸收峰位置和峰间间距，计算结果与实验结果相符合。最后比较了两种峰间间距算法的优劣。     

Er3+掺杂硫系玻璃微球在980nm激光泵浦下的荧光特性

采用玻璃粉料高温漂浮熔融法制备了0.9%Er₂S₃（质量分数）：75%GeS₂-15%Ga₂S₃-10%CsI（摩尔分数）硫系玻璃微球,并用熔融拉锥法制备了锥腰直径为2.31 μm的石英光纤锥。将其与直径119 μm的硫系微球进行耦合,在980 nm 激光泵浦下获得了微球中与Er³⁺：⁴I_13/2→⁴I_15/2跃迁对应的1.54 μm处的荧光光谱。分析了微球和块状玻璃荧光光谱差异的原因,并用Mie散射理论公式对微球荧光光谱共振峰间隔进行了计算。共振峰间隔实验结果与理论计算误差最小仅为0.05%,验证了理论分析的正确性。最后,讨论了微球峰值间隔与泵浦功率的关系,排除了泵浦功率对共振峰间隔的影响。     

530 W全光纤结构连续掺铥光纤激光器

采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂法制备了掺Tm~(3+)石英光纤预制棒,并拉制成纤芯/包层尺寸约为25/400μm的双包层掺Tm~(3+)光纤,通过电子探针显微分析测得其中Tm_2O_3和Al_2O_3的浓度分别为2.6 wt%和1.01 wt%,在793 nm处测得的包层吸收为3 dB/m.基于上述大模场掺Tm~(3+)光纤,搭建了一个高功率全光纤主振荡功率放大结构的掺Tm~(3+)光纤激光器,窄线宽掺Tm~(3+)种子源经过一级放大后,最高输出功率达到530 W,对应的斜率效率为50%,输出激光的中心波长为1980.89 nm.实验中没有观察到明显的放大自发辐射和非线性效应,输出功率仅受限于抽运功率.该结果为目前国内2μm波段全光纤结构激光器实现的最高输出功率,验证了国产掺Tm~(3+)石英光纤在高功率系统中的可靠性.     

用锥光纤微球研究Er~(3+)/Yb~(3+)共掺氟氧玻璃陶瓷的发光特性

采用高温煅烧法制备了Er3+/Yb3+共掺的氟氧玻璃陶瓷新材料(41.2SiO2-29.4Al2O3-17.6Na2CO3-11.8LaF3-0.5ErF3-2.5YbF3),并制作了透明带柄微球.提出了用锥光纤微球耦合系统研究Er3+/Yb3+共掺的氟氧玻璃陶瓷材料发光特性的新方法.它具有所需激发光功率低、制备简便和便于测试的特点.用锥光纤作为耦合器将976 nm激光高效耦合入微球,并将产生的荧光和激光耦合出微球输到光谱分析仪,测量到了强的522,545和657 nm上转换荧光,也测到Er3+产生的1562 nm激光振荡光谱图.分析了Er3+/Yb3+共掺氟氧玻璃陶瓷微球中Er3+上转换发光的机理、发光效率高的机理,分析了在氟氧玻璃陶瓷微球中产生激光振荡阈值比在SiO2基质微球中高的机理.     

976 nm激光抽运二氧化硅微球级联拉曼散射激光的研究

利用电极放电产生的电弧高温熔融二氧化硅单锥细纤, 熔融的二氧化硅在表面张力作用下形成表面光滑的微球, 完成高品质因子微球腔的制备. 将976 nm激光通过锥光纤以倏逝场方式高效耦合入微球, 研究具有高能量密度回廊模的微球腔中的三阶非线性现象——受激拉曼散射现象. 在实验中测得了六级级联的拉曼散射激光, 各级拉曼散射激光分别测得单纵模或多纵模; 在抽运光功率不少于582.6 μW时, 测得位于1200 nm附近的拉曼散射激光; 当抽运光功率为3.014 mW时, 测得位于1287.04 nm附近的第六级拉曼散射激光. 关键词： 微球腔 锥光纤 高品质因子 拉曼散射激光     

Study on the structure dependent ultrafast third-order optical nonlinearity of GeS2–In2S3 chalcogenide glasses

The results of the femtosecond time-resolved optical Kerr at 820 nm in GeS₂–In₂S₃ chalcogenide glasses indicate that the response time in GeS₂–In₂S₃ glasses is subpicosecond, which is predominantly due to the distortion of the electron cloud. The value of χ⁽³⁾ in 0.95GeS₂–0.05In₂S₃ glass is also as large as 2.7 × 10⁻¹³ esu, and it reduces with the addition of In₂S₃, which may be ascribed to the microstructure evolution of GeS₂–In₂S₃ glasses. It is deduced that the intrinsic [Ge(In)S₄] tetrahedral structure units that possess the high hyperpolarizability may do great contribution to the enhancement of third-order optical nonlinearity while [S₃Ge–GeS₃] ethane-like molecular units make no considerable contribution to that in femtosecond time scale. These GeS₂–In₂S₃ and GeS₂–In₂S₃-based chalcogenide glasses would be expected to be the promising materials for all-optical switching devices.     

Fiber-coupled microsphere laser

We demonstrate a 1.5-microm - wavelength fiber laser formed by placement of glass microsphere resonators along a fiber taper. The fiber taper serves the dual purpose of transporting optical pump power into the spheres and extracting the resulting laser emission. A highly doped erbium:ytterbium phosphate glass was used to form microsphere resonant cavities with large gain at 1.5microm . Laser threshold pump powers of 60muW and fiber-coupled output powers as high as 3 muW with single-mode operation were obtained. A bisphere laser system consisting of two microspheres attached to a single fiber taper is also demonstrated.     

GeS2-In2S3硫系玻璃的物化性质与晶化行为研究

认识玻璃组成-性能-结构之间关系是玻璃科学中经久不衰的研究课题之一. 在制得(100-x) GeS₂-xIn₂S₃ (x=10, 15, 20, 25或30 mol%) 系列玻璃和玻璃陶瓷样品的基础上, 利用可见-近红外透过光谱, DSC, XRD和Raman光谱等测试技术表征了随组份变化的光学带隙, 玻璃转变温度以及晶化行为等, 并结合GeS₂-Ga₂S₃玻璃研究结果探讨了Ga, In 元素及其形成的网络结构对玻璃性质的影响.研究发现, 在硫系玻璃中In比Ga对光学带隙和玻璃转变温度等性质的影响要大. 它们所形成玻璃的晶化行为也截然不同, 但与其各自的材料相图有着密切的联系. 利用偏振拉曼光谱获得玻璃网络中的基本结构单元信息.最后, 结合材料相图, 玻璃随组成变化的物化性质和晶化行为以及基本网络结构单元的认识, 探讨了玻璃的化学拓扑与网络拓扑之间的联系, 为今后研究提供一种新的研究思路.     

掺铒硫系玻璃的制备及其微结构光纤的中红外信号放大特性研究

为进一步揭示硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤对于中红外波段信号的放大特性, 采用熔融淬火法研制了Er³⁺离子掺杂的Ga₅Ge₂₀Sb₁₀S₆₅硫系玻璃, 测试了玻璃样品的吸收光谱和2.7 μm波段荧光光谱, 利用Judd-Ofelt和Futchbauer-Ladenburg理论分别计算得到了Er³⁺离子的辐射跃迁概率、辐射寿命以及2.7 μm波段受激发射截面. 在此基础上, 建立了一个980 nm抽运下该玻璃基掺Er³⁺微结构光纤2.7 μm波段中红外信号的放大模型, 理论上研究了其作为2.7 μm波段中红外信号增益介质时的光放大特性. 结果显示, 硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤具有优异的高增益和宽带放大品性. 在200 mW抽运功率激励下的100 cm光纤长度上, 最大小信号增益超过了40 dB, 高于30 dB信号增益的放大带宽达到了120 nm (2696—2816 nm). 研究表明, Ga₅Ge₂₀Sb₁₀S₆₅硫系玻璃基掺Er³⁺微结构光纤是一种理想的可应用于2.7 μm波段中红外宽带放大器的增益介质.     

WGM microresonators: sensing,lasing and fundamental optics with microspheres

Glass microsphere resonators that support optical resonances known as whispering‐gallery modes are unique tools for studying and exploiting optical effects under extremely well controlled conditions. In this paper, a review focusing mostly on glass microsphere resonators is presented. First, a brief historical background is given in which we see how the state‐of‐the‐art has grown from novel optical resonators to the ultrahigh Q cavities used in cutting‐edge experiments. After the basic properties of microsphere resonators are outlined we will discuss some of the recent experiments involving microsphere resonators, although some discussion involving polymeric microspheres is also included. The use of doped and undoped microspheres in optical signal processing, optical sensing and quantum optics is highlighted. Finally, there is a brief review of recent optomechanical experiments that use microspheres.     

20GeS2·80Sb2S3硫系玻璃的析晶行为及动力学机理研究

实现玻璃微晶化过程控制的基础是要充分认识其析晶行为及动力学机理. 利用示差扫描量热法和析晶热处理等手段, 研究发现 20GeS₂·80Sb₂S₃硫系玻璃属于表面析晶, 在268℃(T_g+30℃)下热处理60 h, 可以获得表面约40 μm的Sb₂S₃晶层复合玻璃陶瓷样品. 在此基础上, 利用非等温法从理论上分析该玻璃的析晶动力学机理. 计算得到其析晶活化能E_c为(223.6±24.1)kJ·mol^-1, 在热处理温度(268℃)下的析晶速率常数K为1.23×10^-4 s^-1, 属于较难析晶的玻璃组成; 玻璃的晶体生长指数m和晶体生长维数n均为2, 表明其Sb₂S₃相的析晶行为是二维生长过程, 与析晶实验结果完全相符. 由此可知, 对于Sb₂S₃晶体复合的硫系玻璃陶瓷样品可通过玻璃粉末压片烧结、带铸法或丝网印刷法制备获得, 为今后功能硫系玻璃的开发提供实验依据和理论指导. 关键词： 硫系玻璃 微晶化 析晶动力学 析晶行为     

Linear optical characterization of chalcogenide glasses

A simple experimental method is used to obtain the evolution of both the refractive index and the linear absorption coefficient as a function of the optical wavelength in the near infrared range (from 900 up to 1700 nm with 10 nm resolution). Several chalcogenide glasses (As₂S₃, As₂Se₃, GeSe₄) are tested and the corresponding Cauchy coefficients are determined. Comparison of our results shows a good agreement with values available in the literature at some wavelength. Application of this method is used to estimate Cauchy coefficients of Ge₁₀As₁₀Se₈₀ for the first time to our best knowledge.     

Ultra-broadband modulation instability gain characteristics in As_2S_3 and As_2Se_3 chalcogenide glass photonic crystal fiber

Based on the designed As_2Se_3 and As_2S_3 chalcogenide glass photonic crystal fiber(PCF) and the scalar nonlinear Schrdinger equation,the effects of pump power and wavelength on modulation instability(MI) gain are comprehensively studied in the abnormal dispersion regime of chalcogenide glass PCF.Owing to high Raman effect and high nonlinearity,ultra-broadband MI gain is obtained in chalcogenide glass PCF.By choosing the appropriate pump parameter,the MI gain bandwidth reaches 2738 nm for the As_2Se_3 glass PCF in the abnormal-dispersion region,while it is 1961 nm for the As_2S_3 glass PCF.