Optics Express | 氟化物玻璃中高折射率差波导制备技术

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引言
氟化物玻璃是少数几种从紫外到中红外波段都具有优异透明度的介电材料之一。与传统二氧化硅相比，氟化物玻璃在中红外区域表现出更好的透明性。此外，虽然稀土离子提供了多种可见光跃迁，但在二氧化硅等高声子能量基质中，这些跃迁通常会因非辐射弛豫过程而被抑制。二氧化硅具有约1100 cm-1的高声子能量，显著增加了激光跃迁猝灭的可能性。相比之下，氟化物玻璃的声子能量较低（500 cm-1），非辐射损耗较小，因此在可见光和红外波长范围内能实现更高效的激光输出[1]。
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材料选择与成分设计
实现高折射率差波导的关键在于精确控制玻璃成分。传统氟化物玻璃成分通常包括53ZrF4 20BaF2 3LaF3 4AlF3 20NaF（摩尔百分比）。在这种成分中：
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ZrF4：作为玻璃形成体

BaF2、LaF3和NaF：作为网络改性剂

AlF3：作为条件性玻璃形成体

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图1：用于波导制备的超快激光写入装置及其坐标轴方向。
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6 p. P' G3 x5 k突破性进展来自改良后的成分配方：51.3ZrF4 19BaF2 3AlF3 19.45NaF 0.5ErF3 1.75YbF3 5CeF3（摩尔百分比）。这种配方的特点是：

移除了LaF3，使玻璃仅保留单一多价网络改性剂

添加了Er3+、Yb3+和Ce3+用于实现C波段激光器

Ce3+的掺杂增强了1.5微米处的铒离子发射

# i  |  v0 a: p& H详细制备工艺
% L* s1 O, h! C; H波导制备使用Pharos超快激光系统，具体参数如下：

中心波长：1030纳米

脉冲持续时间：240飞秒

重复频率：50千赫兹

偏振状态：圆偏振

写入深度：170微米

优化后的环位置：500微米

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图2：波导端面差分干涉显微镜图像

# f! x& X! T+ ?! f5 ~2 L# ?3 \制备过程的关键参数范围：

脉冲能量：2-6微焦耳

扫描速度：40-150微米/秒

多道扫描间距：1微米

表征与性能分析
  V! y% D1 Y9 H) z- e, t波导性能表征结果：
2 k1 z& b1 o8 c. [3 ^

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7 _% t8 r; ~9 W6 G3 w6 n8 ^7 M# [; \图3：测量的峰值正折射率变化曲线和折射率分布图
1 [$ X3 D# d! ]- K1 F! V  m8 z$ j
主要性能指标：
1. 折射率变化：

最大正折射率变化：>2×10^-2

负折射率变化区域：-2.92×10^-2

2. 传输特性：

1620纳米波长处传输损耗：0.21分贝/厘米

3.5微米波长处支持多模传输

可在宽波长范围内调节V参数

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0 A9 S0 C4 w+ I# [$ g/ Q1 R7 c图4：布里渊频移测量与分析
$ O! ?) s+ J! ~2 G
/ V5 ^  Q: a: z# f激光器应用实现

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图5：混合光纤/波导激光腔的示意图和实物图，以及输出光谱。

激光器性能：
1. 基本参数：

阈值泵浦功率：30毫瓦

斜率效率：49%

最大输出功率：45毫瓦（120毫瓦泵浦功率下）

7 \. E# C- u" x! p  B2. 波长特性：
5 \7 i( A- c* W

工作波长：1542.85纳米

输出耦合率：10%
+ G- ~* |' O1 a) I/ _- B- H8 ^

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图6：显示1542.85纳米波长、10%输出耦合下的激光斜率效率。
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结论
本文介绍在氟化物玻璃中制备高折射率差波导的技术。通过优化玻璃成分和制备工艺，实现了显著的正折射率变化。研究发现，材料密度变化主要由钡元素的迁移引起。这种波导在可见光和中红外波段都表现出优异的性能，对发展集成光学器件具有重要意义。低传输损耗和高度可调的V参数使这些波导在芯片激光器技术和先进光学传感、光谱学器件开发方面具有重要应用价值。

, ~* k( A3 t& s+ ?  T3 a参考文献
6 ], l( Y  H  B: M! Z[1] T. T. Fernandez et al., "Ultrafast laser-fabricated fluoride glass waveguides with exceptionally high positive refractive index change for mid-infrared integrated optics," Opt. Express, vol. 32, no. 24, pp. 42938-42950, Nov. 2024, doi: https://doi.org/10.1364/OE.541446
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