[发明专利]一种可实现3.5微米发光的掺铒氟化铝玻璃及制备方法

说明书

本发明一种可实现3.5微米发光的掺铒氟化铝玻璃的制备方法，将化学原料按照摩尔百分比进行称重配制，然后在玛瑙研钵中充分研磨混合；将混合原料装入坩埚中，并在手套箱中，经过高温炉熔化烧制；将熔化的液体倒入预热的铜板模具中，进行退火处理，然后缓慢冷却至室温，获得不同浓度的掺铒离子的氟化铝玻璃。本发明制备的玻璃，具有良好的抗潮解性，化学稳定性和机械性能；制备工艺简单，可实现批量化生产；具有良好的光谱透过宽度和透过性能，在水分子吸收位置无明显可见的透过率降低表现；在3.5μm位置具有良好的发光性能，用简单的638nm激光泵浦即可实现该波段发光；在实现高功率3.5μm光纤激光领域具有重要的应用前景。

技术领域

本发明属于中红外玻璃发光、中红外光纤激光等领域，具体涉及一种可实现3.5微米发光的掺铒氟化铝玻璃及制备方法

背景技术

近几十年来，由于中红外光源在军事防御对策、环境传感、光谱学、材料加工和生物医学应用等方面的大量应用，具有高效率、高亮度和良好的稳定性的中红外光源，已成为重要的研究课题。一方面，羟基在2500-3600cm^-1具有一个主要吸收带，这意味着含水物质的检测、分析和处理可用于医学研究，处于这个吸收带的中红外光便可以安全地处理人体组织和细胞。另一方面，许多烃在中红外范围内表现出基本吸收带，3-4μm之间的光谱区域对于光谱分析特别有用，因为它包含许多化学成分中碳氢共价键的基本拉伸频率。中红外范围内的激光源被广泛用于检测温室气体中的碳氢化合物，例如甲烷，丙烷和其他工业过程中常见的化合物(例如甲醛)。在富含碳氢键的材料中，可以进行波长共振的聚合物加工，例如切割，模制或焊接。由于大气的光谱透射率特性，中红外光源还可以促进呼吸分析中的痕量气体分析以识别疾病，或在军事中开发光学对策系统。

光学材料的选择是获得高性能光源的关键因素。众所周知，有几种用于构成光源的玻璃主体材料，包括硅酸盐，碲酸盐，氟化物，硫化物和磷酸盐等。主体材料的声子能量对于中红外发光效率很重要，因为高声子能量会导致较大的非辐射跃迁几率，从而降低辐射效率。与碲酸盐玻璃(～700cm^-1)、锗酸盐玻璃(～900cm^-1)、硼酸盐玻璃(～1400cm^-1)和磷酸盐玻璃(～1200cm^-1)和硅酸盐玻璃(～1100cm^-1)相比，氟化物玻璃的声子能量相对较低(～580cm^-1)。在氟化玻璃中，氟锆酸盐玻璃已被广泛研究，ZrF₄-BaF₂-LaF₃-AlF₃-NaF(ZBLAN)是最稳定的代表系统，因为它具有低声子能量和宽透射窗，因此被用于各种光增益器件中。

在过去的几年中，对3.5μm光纤激光器进行了广泛的研究，极大地扩展了激光器的波长范围。自1992年首次展示约3.5μm光纤激光器以来，对约3.5μm激光发射的研究进展缓慢，直到2014年Henderson-Sapir等人提出可以通过使用976和1976nm双波长泵浦，将1mol％掺Er³⁺的ZBLAN光纤中的3.5μm激光输出功率提高到260mW。在2016年，Fortin等人在双波长激光器(974和1976nm)的泵浦下，通过使用光纤布拉格光栅作为反馈设备，在1mol％掺Er³⁺的ZBLAN光纤中获得了3.44μm的功率级激光输出(1.52W)。同年，Henderson-Sapir等人报道了使用衍射光栅作为调谐元件的波长覆盖范围为450nm的可调激光器，激光输出功率在3.47μm处达到1.45W。在2017年，Maes等人分别在掺有1mol％Er³⁺的ZBLAN光纤的两端分别编写了两个反射率分别为90％和30％的光纤布拉格光栅，并构建了单片集成光纤激光器腔，将功率输出提高至5.6W，这是曾报道过的3-5μm中的最高功率激光输出。几个月后，覃治鹏等人展示了3.52-3.68μm可调激光器输出，最大输出功率为0.85W，斜率效率为25.14％。