新型磷酸盐微结构光纤探索

发布时间：2020-10-01 16:42

　　信息化的飞速发展以及新型光学器件的出现,对光纤以及光纤器件性能提出了更高要求。比如,高功率激光系统要求光纤结构利于提升泵浦效率、降低光纤辐照损伤;相干光通信要求光纤具有保偏性能;而调制器、光开关和变频器等光学器件又要求光纤具有较高的非线性光学效应。传统的单包层光纤已不能满足这些需求。为满足这些需求,本课题研制了三种新型微结构磷酸盐玻璃光纤。取得结果如下:(1)首先探索了铒镱共掺磷酸盐双包层光纤的制备过程。研究了铒镱共掺磷酸盐玻璃的发光性能,确定了Er_2O_3和Yb_2O_3的最佳掺杂量分别为1 mol%和2 mol%。然后通过纤芯大块玻璃的熔制以及冷加工,最后在拉丝塔上拉制出直径1.4-1.6 mm的纤芯棒,其Er~(3+)离子掺杂浓度达到1.184×10~(20) cm~(-3),Yb~(3+)离子掺杂浓度达到2.368×10~(20) cm~(-3)。(2)研究了不同含量的BaO以及氟化物对磷酸盐玻璃物理化学和热学性能的影响。结果表明,随着玻璃中BaO含量的增加,玻璃的密度、强度、折射率、T_g、T_f等性能逐渐增大,玻璃热膨胀系数降低,玻璃机械性能和热性能得到改善,玻璃的网络结构加强。而在磷酸盐玻璃中添加氟化物(KF、CaF_2、BaF_2),由于F~-离子对玻璃网络结构的弱化作用,玻璃结构变得松散,玻璃机械性能及化学稳定性都变差,不适用于光纤的制备。最后优化了磷酸盐玻璃的物理化学性能和热性能,并确定了光纤内外包层的配方,分别为56.7P_2O_5-10.5K_2O-4Al_2O_3-4.2La_2O_3-22.6BaO和64.5P_2O_5-13K_2O-12CaO-2.5Al_2O_3-8B_2O_3。(3)优化了大块磷酸盐玻璃熔制工艺,包括熔融、通气、除水等,制备了无气泡、无条纹、均匀度较好和羟基含量低(1.16×10~(19) cm~(-3))的激光大块玻璃。采用管棒法制备了双包层光纤预制棒,并在拉丝塔上拉制了铒镱共掺磷酸盐双包层光纤,其纤芯直径是78-81μm,NA为0.053,内包层277-282μm,NA为0.356,外包层1483-1518μm。测试得到双包层光纤在1310 nm处的损耗为7.15 dB/m,对976 nm泵浦光的吸收系数可达253.9 dB/m。测试磷酸盐双包层光纤激光性能,可以看到光纤在1.5μm处具有Er~(3+)离子的放大自发辐射,其强度随着使用双包层光纤的长度先增强后减弱,长度为7.5 cm时强度最强。(4)探索了铒镱共掺保偏光纤制备过程。设计了保偏光纤预制棒的尺寸和结构,并通过管棒法加工了保偏光纤预制棒,在拉丝塔上拉制了铒镱共掺磷酸盐保偏光纤。(5)探索了非线性光纤的制备。采用溶胶-凝胶法和静电喷雾法相结合的方法制备了Ba_2TiSi_2O_8纳米颗粒。Ba_2TiSi_2O_8颗粒整体呈圆球形,分散性好,具有高结晶度和空心的结构。通过1064 nm的皮秒激光器的激发,测得Ba_2TiSi_2O_8颗粒具有倍频效应。后续,Ba_2TiSi_2O_8颗粒将被掺杂在磷酸盐玻璃中制备非线性光纤。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN253
【部分图文】：

光纤激光器,基本结构,激光

具有较大的折射率调节范围。所以，磷酸盐玻璃是优良的激光基质材料[9][12]。因文选择磷酸盐作为光纤基质制备微结构光纤。铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的概述1.5-1.6 μm 波段的激光具有非常优异的特点[13-[15]。首先，此波长的激光处于石信的低损耗窗口，在商用光纤中传输损耗低；此外，1.5-1.6 μm 激光处于人眼段范围，此波长激光的能量会被眼睛玻璃体液中的水分吸收，从而无法到达视对人眼造成伤害；同时，该波长处于 1.5-1.8 μm 的大气传输窗口，对大气穿透十分适用于传输测距。优异的特性使得 1.5-1.6 μm 波段激光广泛应用于光通信、全光学开关、激光测距等领域。而目前实现 1.5-16 μm 激光运转的设备主要激光器、固体激光器以及掺铒光纤激光器。相比于其他激光器，光纤激光器拥势，从而吸引无数人对它进行科学研究并将其商业化[16][20]。

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这些无与伦比的特性使得光纤激光器在科学研究、工业重要的应用[21]。，为了适应电信设备、医疗器械等的集成化要求，掺铒玻璃光纤高的输出功率以及更紧凑的结构[22][24]。然而，当光纤应用于高存在着明显的非线性效应，如受激布里渊散射（SBS）等，限制目前常用的减少光纤中非线性效应的方式包括：增大光纤纤芯直度。这就要求光纤要具有较大的纤芯直径，同时具有较高的单璃对 Er3+离子具有较高的溶解度，可以提高 Er3+离子在玻璃中璃光纤的高增益。但是，当掺杂浓度过高时，稀土离子间会发纤的光学性能。和 Yb3+离子间的相互作用

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第一章绪论在4I13/2能级的寿命较长，而随着泵浦光的不断照射，4I13/2能级上的粒子数不断形成粒子数反转。之后，Er3+离子通过自发辐射发射出 1.5-1.6 μm 波段的光，端加上正反馈回路，构成谐振腔，就形成了 1.5-1.6 μm 激光振荡输出。对于最好的泵浦光波长是 980 nm。当稀土离子掺杂于玻璃基质中时，稀土离子之间会发生相互作用，一般分为能敏化作用，这两种方式对稀土离子各能级的寿命以及发光特性有着不同的影响

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