氟碲酸盐玻璃光纤的设计、制备及其在中红外超连续光源方面的应用

发布时间：2020-04-13 05:47

【摘要】：2-5?m波段全光纤超连续光源在红外制导、光电对抗、大气通信、医疗、污染监测、化学气体及危险品监测等领域有着重要应用。目前实现高平均功率(10 W)2-5?m波段超连续光源所用的非线性介质是一种重金属氟化物玻璃光纤——氟化锆基玻璃光纤,其组分为53Zr F_4-20BaF_2-4La F_3-3AlF_3-20NaF(简称ZBLAN)。然而,ZBLAN玻璃光纤的化学稳定性和热稳定性都较差,在空气中使用时容易发生潮解,且其玻璃转变温度仅为265℃,这在一定程度上影响了ZBLAN玻璃光纤在实用化高功率中红外光源研制中的应用。因此,为了进一步提高中红外超连续光源的性能和研制实用化高功率中红外超连续光源,探索具有高化学和热稳定性的新型中红外玻璃光纤是很有必要的。在攻读博士期间,作者围绕着新型中红外玻璃材料、中红外玻璃光纤设计与制备、高功率中红外超连续光源研制等方面进行了系统的研究,取得了以下研究结果:(1)通过优化玻璃组分探索出了具有高化学稳定性和热稳定性的氟碲酸盐玻璃体系,其组分为TeO_2-BaF_2-Y_2O_3(TBY),该类玻璃具有宽的光学透过窗口(0.4-5.5?m)、好的抗潮解能力、高的玻璃转变温度(?425 ~oC);并通过优化拉制工艺制备出一系列氟碲酸盐玻璃光纤。(2)设计并制备了一种高数值孔径的氟碲酸盐玻璃光纤,其纤芯为TBY玻璃,包层为AlF_3 BaF_2 CaF_2 YF_3 SrF_2 MgF_2 TeO_2(ABCYSMT)玻璃,在400-6000 nm波长范围内的数值孔径都大于1.1;利用60 cm长的纤芯直径为7μm的高数值孔径氟碲酸盐玻璃光纤作为非线性介质,使用波长为1980 nm的超短脉冲光纤激光器作为泵浦源,研制出平均功率为10.4 W、光谱范围覆盖947-3934nm的超连续光源,其光—光转换效率为~65%。上述结果表明,氟碲酸盐玻璃光纤可用于研制高平均功率中红外波段超连续光源。(3)进一步对高数值孔径氟碲酸盐玻璃光纤进行拉锥处理,制备出了色散渐变的高数值孔径氟碲酸盐玻璃光纤,光纤初始芯径为7μm,最细芯径为1.4μm,光纤拉锥区长度为~1.7 cm,未拉锥区长度为~2 cm;利用该色散渐变光纤作为非线性介质,使用2μm飞秒光纤激光器作为泵浦源,实现了光谱范围覆盖600-5200 nm的超连续相干光源,其最大输出功率为380 mW,光—光转换效率~30%。以上结果表明,通过控制氟碲酸盐玻璃光纤的色散和损耗可以实现宽波段的超连续光源。(4)设计并制备出双折射氟碲酸盐微结构光纤,其双折射系数为3.5×10~(-2),光纤快轴和慢轴的零色散波长分别为1000、2224 nm和897、2042 nm;利用其作为非线性介质,使用波长为1560 nm的飞秒脉冲激光选择性激发其快轴和慢轴,分别获得了两组可调谐中红外色散波,其调谐范围分别为2680 nm~2725 nm和2260 nm~2400 nm;进一步通过理论模拟验证了利用双折射氟碲酸盐光纤作为非线性介质获得宽调谐(2-5?m)中红外色散波的可行性。(5)设计并制备出Tm~(3+)掺杂氟碲酸盐微结构光纤,利用其作为非线性介质和增益介质,使用波长为1560 nm的飞秒脉冲激光器和波长1570 nm的连续光纤激光器作为泵浦源,研究了增益对孤子自频移效应的影响,发现当红移的光孤子移动到增益带宽内时,光孤子的能量被显著放大,且其在频域的红移速度显著增加,脉冲宽度变窄。上述结果表明,利用增益可实现对孤子自频移的调控,并可获得宽调谐、窄脉宽的拉曼孤子激光。(6)设计并制备了一种具有两个零色散波长的氟碲酸盐微结构光纤,利用该光纤作为非线性介质,使用波长为1560 nm的飞秒脉冲激光器作为泵浦源,研究了孤子自频移抵消效应对三次谐波产生的影响,发现当孤子自频移抵消效应发生时,光孤子和三次谐波的相互作用长度显著增加,从而使得三次谐波产生效率显著增大。
【图文】：

损耗曲线,基质材料,石英光纤

纤需要满足以下几个条件：（1）优良的中红外区域光学透过性能，（2）较高的伤阈值，（3）高的非线性折射率，（4）成熟的制备工艺等。在所有种类的光纤里石英光纤以其制备工艺最成熟、传输损耗极低（~0.2 dB/km @1560 nm）、机械度高、对环境的忍耐度高、与其他器件集成度好等优点最先引起研究者的关注[30然而由于石英光纤的声子能量较高（1100cm-1），多声子吸收造成石英玻璃的料损耗在中红外波段非常大。图 1.1 为目前应用较广泛的几类中红外光纤的基材料损耗曲线，可见石英玻璃的材料损耗在波长>2.2 μm 的时候急剧增大。因此国际上使用石英光纤作为非线性介质获得的超连续光谱通常处于可见波段~2.7 μm 波段。正如图 1.1 所示，适合研制 2-5 μm 中红外波段超连续光源的光主要为软玻璃光纤，如：ZBLAN，InF3基，碲酸盐和硫系（硫化物、硒化物碲化物）玻璃光纤。下面，本文将分别介绍近十几年来，基于以上中红外玻璃纤实现的有代表性的中红外超连续光源的研究结果。

超连续光谱,光纤,输出功率,高峰值功率

图 1.2 ZBLAN 光纤中产生的不同输出功率下的超连续光谱。9 年，G. S. Qin 等发现限制 ZBLAN 光纤中超连续谱继续向长 ZBLAN 光纤的材料损耗和受限损耗在 4 μm 后将急剧增大，虑光纤的损耗、色散以及光纤长度等众多因素，，可以在 ZBLA更宽的超连续谱。因此，他们采用高峰值功率的 1450 nm 飞秒的 ZBLAN 光纤，获得了光谱覆盖 0.35-6.28 μm 的超宽带超连
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN253

【参考文献】