一种基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光散射材料、激光器件及制备与应用

摘要

本发明涉及一种基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光散射材料、激光器件及制备与应用，该散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：45‑65％，B2O3：20‑35％，Ga2O3：0‑20％。将所需原料混合后在高温熔化，高温熔体经压制成型后在玻璃转变温度附近退火，然后将块状材料球磨成粉末，所制得粉末材料用于构建悬浮液、固体压片、基片旋涂膜等各种可以提供随机激光共振光学反馈的构造，通过改变增益介质的种类，用不同波长的激光去激发，在530‑870nm的宽谱范围内观察到超宽带随机激光。本发明制作方法简单，形式灵活，可很好的用于光通信、数字存储和能量转换及其他领域。

权利要求

1.一种超宽带随机激光器件，其特征在于，该激光器件包括散射材料和增益介质组成的复合体和载体，所述的复合体负载在载体中；或者由上述散射材料和增益介质组成的复合体制作成薄片的形式作为激光器件；

所述的散射材料为非晶态铋酸盐材料，包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：45-

65%，B2O3：20-35%，Ga2O3：0-20%；

所述的增益介质为激光染料、稀土离子或/和半导体量子点；

散射材料和增益介质的质量比为10000 5000：1。

~

2.根据权利要求1所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，所述的复合体采用悬浮体、固体压片或波导结构形式；

当复合体为悬浮体时，将散射材料分散于水中，加入增益介质分散均匀即得悬浮体；

当复合体为固体压片时，将散射材料高压压制成薄片，将增益介质溶液均匀涂覆到薄片表面，即得固体压片形式的复合体；增益介质溶液渗入固体压片的孔隙中；

当复合体为波导结构时，将分散材料分散于水中得到悬浮液，将悬浮液均匀涂覆到载体表面，再将增益介质溶液均匀涂覆到表面得到薄膜，即为波导结构形式的复合体。

3.根据权利要求1所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，所述散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：50-65%，B2O3：20-30%，Ga2O3：10-20%。

4. 根据权利要求1所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，所述的散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3： 65%，B2O3：20%，Ga2O3：15%。

5.根据权利要求1所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，所述的散射材料按如下步骤制备得到：按摩尔百分比称取各组分后混合均匀，熔融，将熔体压制成型后退火，然后对所获得材料进行球磨，球磨后的粉末即为散射材料。

6.根据权利要求5所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，球磨后的粉末的平均粒径为4 5μm。

~

7.根据权利要求5所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，熔融温度为1050-1100℃。

8.根据权利要求5所述的超宽带随机激光器件，其特征在于，退火温度为350-360℃，退火时间为1-3h。

9.如权利要求1所述的超宽带随机激光器件的应用，作为随机激光器件在光通信、数字存储和能量转换领域中应用。

说明书

一种基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光散射材料、激光器件

及制备与应用

技术领域

[0001] 本发明涉及激光器件技术领域，尤其涉及可调控的超宽带随机激光散射材料、激光器件及制备与应用。

背景技术

[0002] 近年来，随机激光的研究成为微纳激光领域的热门课题。随机激光在产生机理及发光特性上与传统激光器存在许多显著的不同,随机激光辐射源自具有光活性的无序介质,通过辐射光在介质中的多次散射提供光学反馈,从而获得较大的增益,无需外加谐振腔即可实现激光共振。随机激光具有全方位发射的特点,且观察角度不同时,谱线结构和发射强度也会发生变化,发光特性在时间、空间、和光谱上随机波动。与传统激光相比，随机激光具有制备工艺简单、成本低的显著优点，而且具有独特的发射特性。

[0003] 1966年,前苏联科学家Basov等人[Prog.Quant.Electron.1970,1:107-185]采用散射平面替代传统激光谐振腔的一个反射镜,构成一种可提供非谐振反馈的激光谐振腔。1968年,Letokhov[J.Exp.Theor.Phys.1968,26:835-840]首次理论计算了随机增益介质中的光放大行为。随机激光器具有独特的物理机制,在微纳光子学的基础研究中具有重大的研究意义，并在光子集成、纳米光电子器件、光学传感、特殊波段激光产生、激光防伪、医学成像等诸多领域具有广阔的应用前景。

[0004] 然而，迄今为止报道的高效可控的随机激光主要是通过利用晶态的散射中心(例如ZnO，ZrO2，和TiO2)来实现的，例如，1994年,美国布朗大学Lawandy教授[Nature,1994,368:436-438]首次从实验上报道了含有二氧化钛纳米散射颗粒的染料溶液可实现受激辐射放大。1999年,美国西北大学Hu Cao教授[Phys.Rev.Lett.1999,82:2278-2281]等人通过纳米氧化锌颗粒实现了相干随机激光输出。然而，上述晶态的散射中心通常是通过化学途径获得，具有制备复杂、成本高、产益低和难以实现大范围集成的显著缺点。

[0005] 中国专利文件CN105762634A公开了一种偏振度可调的柔性薄膜随机激光器及其制备方法。随机激光器为膜状结构，由聚乙烯醇、多元醇、染料向列相液晶微滴组成，多元醇和染料向列相液晶微滴位于聚乙烯醇构成的薄膜内。本发明基于向列相液晶的光学各向异性，在激光泵浦条件下，通过机械拉伸含染料向列相液晶微滴的聚乙烯醇薄膜，改变向列相液晶分子在聚乙烯醇薄膜中的取向，实现偏振度可调的随机激光出射，且随机激光偏振方向平行于拉伸方向。

[0006] 但该种随机激光器构造仅限于薄膜结构，以液晶材料作为散射体，具有成本高，难以实现超宽带的显著缺点。

发明内容

[0007] 针对现有技术的不足，本发明提供一种基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光散射材料、激光器件及制备与应用。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 一种超宽带随机激光散射材料，该散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：45-65％，B2O3：20-35％，Ga2O3：0-20％。

[0010] 根据本发明，优选的，该散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：50-65％，B2O3：20-30％，Ga2O3：10-20％。

[0011] 根据本发明，优选的，该散射材料包括如下摩尔百分比的化学组成：Bi2O3：65％，B2O3：20％，Ga2O3：15％。

[0012] 根据本发明，所述超宽带随机激光散射材料的制备方法，包括步骤如下：

[0013] 按摩尔百分比称取各组分后混合均匀，熔融，将熔体压制成型后退火，然后对所获得材料进行球磨，球磨后的粉末即为散射材料。

[0014] 根据本发明，优选的，球磨后的粉末的平均粒径为4～5μm。

[0015] 根据本发明散射材料的制备方法，优选的，熔融温度为1050-1100℃；

[0016] 优选的，退火温度为350-360℃，退火时间为1-3h。退火在玻璃转变温度附近进行。

[0017] 根据本发明，一种超宽带随机激光器件，包括上述散射材料和增益介质组成的复合体和载体，所述的复合体负载在载体中；或者由上述散射材料和增益介质组成的复合体制作成薄片的形式作为激光器件。

[0018] 根据本发明的激光器件，优选的，所述的增益介质为激光染料、稀土离子或/和半导体量子点；

[0019] 优选的，散射材料和增益介质的质量比为10000～5000：1。

[0020] 根据本发明的激光器件，复合体可采用多种形式，包括悬浮体、固体压片、波导结构等；

[0021] 优选的，当复合体为悬浮体时，将散射材料分散于水中，加入增益介质分散均匀即得悬浮体；

[0022] 当复合体为固体压片时，将散射材料高压压制成薄片，将增益介质溶液均匀涂覆到薄片表面，即得固体压片形式的复合体；增益介质溶液渗入固体压片的孔隙中；

[0023] 当复合体为波导结构时，将分散材料分散于水中得到悬浮液，将悬浮液均匀涂覆到载体表面，再将增益介质溶液均匀涂覆到表面得到薄膜，即为波导结构形式的复合体。

[0024] 根据本发明，所述的载体可采用多种形式，优选的，可采用透明四方容器、玻璃板等，所述的透明四方容器优选比色皿。当复合体为悬浮体时，可将悬浮体装入透明四方容器中，即得到激光器件。当复合体为固体压片或波导结构时，复合体直接作为激光器件。

[0025] 根据本发明，利用上述散射材料(非晶铋酸盐材料粉末)作为强散射中心，通过改变增益介质的种类可调节增益曲线，在530-870nm宽波长范围内产生随机激光。

[0026] 根据本发明，上述基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光器件的应用，作为随机激光器件在光通信、数字存储和能量转换领域应用。

[0027] 本发明提出了一种利用易制备高产益的非晶态铋酸盐材料构成强散射中心，利用在400-1500nm的光谱范围内折射率为2.378-2.118的非晶态铋酸盐材料来构建各种几何构造的随机激光器件，通过改变增益介质的种类来调节光学增益曲线，从而在可见光到近红外的宽光谱范围内观察到有效的激光共振，泵浦阈值。与以往报道的基于晶态强散射中心的随机激光相当。结果表明，非晶态介质可以作为促成光和物质相互作用、构建放大随机介质和制作高效发光器件的可靠平台。

[0028] 本发明的原理：

[0029] 本发明以非晶材料替代传统的晶态的强散射中心，通过多次光散射提供光反馈来发射相干光子，从而实现高效的随机激光共振，通过添加不同的增益介质，从而在530-870nm的超宽带范围内形成激光。

[0030] 本发明各原料所起的作用：Bi2O3和B2O3为网络形成体，Ga2O3为网络修饰体，B3+和Ga3+都是重金属离子，有着较大的离子极化率，赋予玻璃更高的折射率。激光染料、稀土离子、半导体量子点等作为增益介质，从而在530-870nm波长范围内观察到随机激光。

[0031] 本发明的有益效果是：

[0032] 本发明选择非晶铋酸盐材料作为散射介质，利用单一散射元件，实现530-870nm的超宽带随机激光；制作方法简单，形式灵活，可做成悬浮液、固体压片、波导式随机激光器件；可用于光通信、数字存储和能量转换等领域。

附图说明

[0033] 图1：实施例1的超宽带随机激光器件的结构示意图。

[0034] 图2：实施例1得到的样品在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱。

[0035] 图3：实施例2的超宽带随机激光器件的结构示意图。

[0036] 图4：实施例2得到的样品在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱。

[0037] 图5：实施例3的超宽带随机激光器件的结构示意图。

[0038] 图6：实施例3得到的样品在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱。

具体实施方式

[0039] 下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但不限于此。

[0040] 实施例1

[0041] 本实施例的非晶态铋酸盐材料的化学组成为Bi2O3：65mol％；B2O3：20mol％；Ga2O3：15mol％。玻璃原料选用分析纯Bi2O3、B2O3、Ga2O3。按摩尔百分比配料，研磨混合均匀后，置于氧化铝坩埚中，在一定温度下熔化，将熔体倒在不锈钢板上压制成型后于玻璃转变温度附近退火2h，然后对块状材料进行球磨，以球磨后的粉末作为强散射体，粉末分散于水中形成
15mg/mL的悬浮液。取1mL以上悬浮液，加入0.1mL 10mM的罗丹明101-乙醇溶液、超声分散1分钟，得到悬浮体，将悬浮体装入透明的比色皿中，即得到基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光器件。结构示意图如图1所示。

[0042] 使用脉冲激光(波长：532nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在610nm处。在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱如图2所示。

[0043] 实施例2

[0044] 本实施例的非晶态铋酸盐材料的化学组成为Bi2O3：65mol％；B2O3：20mol％；Ga2O3：15mol％。玻璃原料选用分析纯Bi2O3、B2O3、Ga2O3。按摩尔百分比配料，研磨混合均匀后，置于氧化铝坩埚中，在一定温度下融化，将玻璃熔体倒在不锈钢板上压制成型后于玻璃转变温度附近退火2h，然后对块状材料进行球磨，以球磨后的粉末作为强散射体，粉末经过压片机高压压制成薄片(压力为10MPa)。将10mL 0.12g/mL的聚乙烯醇-水溶液与1mL 10mM罗丹明
6G-乙醇溶液混合。用移液枪吸取30μl混合溶液滴在薄片上，使其渗入固体压片的空隙，烘箱干燥半小时，即得到基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光器件。结构示意图如图3所示。

[0045] 使用脉冲激光(波长：480nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在575nm处。在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱如图4所示。

[0046] 实施例3

[0047] 本实施例的非晶态铋酸盐材料的化学组成为Bi2O3：65mol％；B2O3：20mol％；Ga2O3：15mol％。玻璃原料选用分析纯Bi2O3、B2O3、Ga2O3。按摩尔百分比混合后，置于氧化铝坩埚中，在一定温度下熔化，将玻璃熔体倒在不锈钢板上压制成型后于玻璃转变温度附近退火2h，然后对块状材料进行球磨，以球磨后的粉末作为强散射体。粉末分散于水中形成15mg/mL的悬浮液，取0.2mL旋涂在玻璃基片上(旋涂速度：6000rpm,旋涂时间：30s)。将1mL 0.3g/mL的聚乙烯醇水溶液和0.25mL 10mM的罗丹明800的乙醇溶液均匀混合，取0.2mL均匀滴在以上样品上，旋涂获得含罗丹明800的聚乙烯醇薄膜(旋涂速度：6000rpm,旋涂时间：60s)，干燥半小时，即得到基于非晶铋酸盐的超宽带随机激光器件。结构示意图如图5所示。

[0048] 使用脉冲激光(波长：680nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，可以观察到宽的自发放大辐射，随着能量的增加，激光尖峰出现在710nm处。在不同泵浦能量下激发所产生的归一化发射光谱如图6所示。

[0049] 对比例1

[0050] 如实施例1所述，不同的是：

[0051] 非晶态铋酸盐材料的化学组成为Bi2O3：40mol％；B2O3：40mol％；Ga2O3：20mol％。

[0052] 使用脉冲激光(波长：680nm,脉宽：25ps,重复率：1Hz)去激发所制备样品，由于氧化铋含量的降低，导致样品折射率的降低，进而散射能力降低，增大泵浦阈值，降低输出效率。