稀土掺杂CaF2玻璃的白光上转换激光器件研究

论文摘要

白光激光作为一种新型的固体照明技术,在我们生活和工作中有重大意义。现今,基于单种材料的白光光源是国际研究热点之一。稀土离子的发光光谱覆盖了整个紫外-可见-近红外光谱,所以在基质材料中掺杂不同的稀土离子可以调节红光、绿光以及蓝光的发光强度,从而获得白光上转换发光材料。白色上转换激光拥有一系列特有的性质,例如高准直性、相干性、以及方向性,但是因为缺乏合适的激光谐振腔,近年来少有报道。回音壁模式（WGM）的微环芯腔具有极高的品质因子,通过全反射把光限制在很小的体积内,能量损耗低,因此本课题中将上转换白光材料与回音壁模式的微环芯腔相结合,可以获得回音壁模式白光激光发射。本文采用CaF2为稀土掺杂的基质材料,该材料具备热稳定性高、声子能量低、机械性能良好和折射系数高等特点,可以有效的降低非辐射复合损耗,抑制浓度猝灭效应,因此具有较高的上转换效率。其次,通过掺杂Yb3+-Er3+-Tm3+稀土元素,研究Yb3+-Er3+-Tm3+共掺杂体系中稀土离子掺杂比对白光输出的影响。其中,Yb3+作为敏化剂离子,用以吸收泵浦光能量并转移给活化剂离子;Er3+和Tm3+作为活化剂离子,分别实现红光（658 nm）、绿光（545 nm）和蓝光（475 nm）上转换发射。通过调整稀土离子的掺杂比,进一步对红光、绿光和蓝光之间的相对发光强度进行调控,最终获得稳定的白光发射。本文中利用微纳加工工艺,即光刻和感应耦合等离子体刻蚀工艺相结合的方式制备悬空结构的圆盘微腔,通过CO2激光器回流工艺将圆盘微腔制备成高品质的微环芯腔,其次利用自制的锥型光纤进行耦合,测量微环芯腔的品质因子达到7.8×106。本文采用了一种操作上简便的溶胶凝胶法来制备含有稀土掺杂的薄膜,将其旋涂在用微纳加工工艺制备的悬空结构的圆盘微腔上,进行热处理,通过CO2激光器回流工艺制备含有稀土掺杂的微环芯腔。在980 nm脉冲激光器泵浦下,不同尺寸的微环芯腔在658 nm、545 nm和475 nm处获得WGM模式激光的发射,并且阈值随着尺寸的增大而降低。将不同尺寸的微环芯腔激光图谱导入CIE1931中,其坐标基本接近标准白光（0.33,0.33）,获得具有WGM模式的白光激光发射。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究目的和意义
•   1.2 稀土掺杂上转换白光研究现状
•     1.2.1 国外研究现状
•     1.2.2 国内研究现状
•   1.3 稀土掺杂上转换光学微腔激光器研究现状
•   1.4 本文的主要研究内容
• 第2章 稀土掺杂氟化钙玻璃获得白光发射的研究
•   2.1 引言
•   2.2 基质材料
•   2.3 溶胶凝胶法制备稀土掺杂氟化钙玻璃
•     2.3.1 原材料的准备
•     2.3.2 含有稀土离子掺杂的CaF2玻璃的制备
•     2.3.3 含有稀土离子掺杂的CaF2玻璃的性能表征
•   2.4 调控镧系元素掺杂比获得稳定的白光输出
• 3+和Yb³⁺的含量'>    2.4.1 确定稀土离子Tm³⁺和Yb³⁺的含量
• 3+的含量'>    2.4.2 确定稀土离子Er³⁺的含量
•   2.5 本章小结
• 第3章 光学微环芯腔的制备与品质因子测量
•   3.1 引言
•   3.2 光学微环芯腔的实验制备
•     3.2.1 氧化硅基底的准备
•     3.2.2 二氧化硅基底匀胶与前烘
•     3.2.3 深紫外曝光
•     3.2.4 后烘及显影
•     3.2.5 感应耦合等离子体刻蚀和去胶
• 2激光器回流工艺制备微环芯腔'>    3.2.6 CO₂激光器回流工艺制备微环芯腔
•   3.3 光学微环芯腔的品质因子（Q值）测量
•     3.3.1 锥形纳米光纤制作
•     3.3.2 微环芯腔与锥形纳米光纤耦合测量Q值
•   3.4 本章小结
• 第4章 回音壁模式（WGM）白光激光的研究
•   4.1 引言
•   4.2 稀土掺杂的微环芯腔的制备
•   4.3 WGM白光激光光学表征
•     4.3.1 白光激光
•     4.3.2 WGM激光确定
•   4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张宇琦

导师: 金立敏

关键词: 稀土掺杂上转换材料,回音壁模式,微环芯腔,品质因子,白光激光

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,材料科学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN24;TB34

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.006110

总页数: 66

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