稀土离子掺杂碲酸盐微结构光纤的制备及其光学性能研究
发布时间：2020-10-15 11:25
红外光纤激光在光通信、生物医疗、环境污染监测、工业加工、军事以及基础研究等众多领域都有着重要的应用。增益光纤作为红外光纤激光的重要组成部分，其基质材料的选择以及光纤的设计与制备对激光的性能有着重要的影响。传统石英光纤的红外透光窗口相对较窄（300～2500nm）、非线性系数较低且声子能量较高，这在一定程度上限制了其应用范围，尤其是其在中红外波段器件方面的应用。因此，探索新的光纤材料与光纤结构、研究新型光纤的光学性质对推动红外光纤激光的发展具有非常重要的意义。 碲酸盐光纤是一类典型的特种玻璃光纤。它具有宽的增益带宽、较低的声子能量、高的非线性系数、较好的热稳定性和化学稳定性。理论上预计，利用碲酸盐光纤作为增益介质，我们可以制得超宽带光纤放大器和中红外波段光纤激光器等。然而，要想研制上述器件，在碲酸盐光纤的制备以及相关器件的研究方面还存在一些亟待解决的问题： （1）带宽问题：Er3+离子掺杂的碲酸盐光纤是目前公认的研制宽带掺铒光纤放大器（EDFA）的理想增益介质，但是掺Er3+碲酸盐光纤放大器的工作带宽与理论值相比还有一定差距，故进一步拓宽其工作带宽具有很大的实用价值。 （2）宽带宽与高输出功率的兼顾问题：单纯依靠光纤的非线性光学效应获得超连续（SC）光谱很难同时兼顾宽带宽和高输出功率两方面特性，所以探索新途径以缓解上述矛盾是进一步提高SC光源性能的关键。 （3）氟碲酸盐光纤的热稳定性问题：传统碲酸盐玻璃中羟基（OH）的存在严重限制了碲酸盐光纤在中红外波段激光器件方面的应用。在碲酸盐玻璃体系中引入氟化物组分可以降低玻璃中的OH含量，然而F的引入还会降低玻璃的热稳定性，为氟碲酸盐光纤的制备带来一定的困难。因此，探索热稳定性好且OH含量低的氟碲酸盐玻璃，并用其制备氟碲酸盐光纤对研制实用化中红外光纤激光器件具有重要的意义。 针对上述问题，我们围绕稀土离子掺杂碲酸盐微结构光纤的制备及其光学性质开展了一系列的研究工作。在宽带EDFA、有源光纤中的SC光谱产生以及氟碲酸盐光纤的探索等方面取得了创新性的研究结果。分别阐述如下： （1）选用TeO2ZnO Na2O Bi2O3（TZNB）玻璃体系作基质，用棒管法成功制备出了Er3+离子掺杂的碲酸盐微结构光纤(EDTMF)。利用EDTMF作为增益介质，在1480nm激光器泵浦下，实现了带宽为113nm（15241637nm）的宽带光放大。与前人报道的结果相比（最长工作波长为1634nm），其最长工作波长被拓展到了1637nm，达到了掺铒碲酸盐光纤放大器的理论长波极限。同时，利用EDTMF作为增益介质，我们还获得了高效率激光输出，并观察到了自调Q现象。 （2）用棒管法制备出了Tm3+离子掺杂的碲酸盐微结构光纤（TDTMF）。研究了在1560nm脉冲激光泵浦下TDTMF中SC光谱的产生。研究结果表明Tm3+的宽带放大作用有利于SC光进一步向长波方向拓展。这个研究结果为缓解超连续光谱带宽和输出功率之间的矛盾提供了一种可能的途径。另外，在脉冲激光泵浦下，随着超连续光谱变宽，我们还观察到了TDTMF中增强的800nm（Tm3+:3H4→3H6跃迁）上转换发光。与连续激光泵浦方式相比，800nm处上转换发光强度增强了～4.1倍。 （3）探索出OH含量低、热稳定性好的氟碲酸盐玻璃体系TeO2–BaF2–Y2O3（TBY），并以其为基质制备出了Er3+掺杂的氟碲酸盐微结构光纤（EDFTMF）。在1480nm或980nm激光泵浦下，利用EDFTMF作为增益介质，实现了～1.5μm波段的高效率激光输出和宽带光放大，同时还测得了波长为～2.7μm的强中红外发光。该结果表明，EDFTMF可用于研制高效率的宽带光纤放大器和中红外波段光纤激光器。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ171.777.16;TN253
【部分图文】：
图 1.1 几种可用于产生波长大于 1.5 μm 激光输出的稀土离子及相应的能级跃迁。工作在～1.5 μm 波段的掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信网络中不可或缺的关键器件之一。图 1.2 给出了 EDFA 的基本结构，其主要包括增益介质、泵浦光源、光耦合器、光隔离器等。EDFA 的研制成功是光通信发展过程中的一个“里程碑”[33 34]。它解决了光纤通信传输距离受光纤损耗限制的问题，将光纤通信距离延长至几千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。与其他光放大器（如半导体光放大器、拉曼光纤放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比较低，可以同时为多个信道提供增益且增益不受信号偏振的影响。
1.1 几种可用于产生波长大于 1.5 μm 激光输出的稀土离子及相应的作在～1.5 μm 波段的掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信网络中键器件之一。图 1.2 给出了 EDFA 的基本结构，其主要包括增益介、光耦合器、光隔离器等。EDFA 的研制成功是光通信发展过程中碑”[33 34]。它解决了光纤通信传输距离受光纤损耗限制的问题，将光长至几千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。与其他光放大器放大器、拉曼光纤放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比较低多个信道提供增益且增益不受信号偏振的影响。
体场略有不同，这使得某一特定的 Stark 能级将出现一系列能量略，从而使稀土离子的吸收和发射光谱产生非均匀展宽，这对实现宽有利。EDFA增益介质的基质材料，Er3+掺杂碲酸盐玻璃还具有以下优点高折射率（～2.0）：玻璃中稀土离子的受激发射截面（S）与玻璃射率（n）有关， S (n2)/9n22 。高的折射率有利于获得大的受衡量光纤放大器增益介质的放大特性通常用荧光半高宽（FWH截面（σemi）乘积的大小来评价。两者之积越大，其放大性能越好了在碲酸盐玻璃、氟化物玻璃以及 Al/P 共掺石英玻璃三种不同玻璃子的受激发射截面的大小情况[66]。可以看出，在 1450～1650 nm 范玻璃基质中 Er3+离子具有最大的受激发射截面，尤其是在波长大于前者的受激发射截面是后两者的 2 倍以上。
【参考文献】
本文编号：2842111
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TQ171.777.16;TN253
【部分图文】：
图 1.1 几种可用于产生波长大于 1.5 μm 激光输出的稀土离子及相应的能级跃迁。工作在～1.5 μm 波段的掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信网络中不可或缺的关键器件之一。图 1.2 给出了 EDFA 的基本结构，其主要包括增益介质、泵浦光源、光耦合器、光隔离器等。EDFA 的研制成功是光通信发展过程中的一个“里程碑”[33 34]。它解决了光纤通信传输距离受光纤损耗限制的问题，将光纤通信距离延长至几千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。与其他光放大器（如半导体光放大器、拉曼光纤放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比较低，可以同时为多个信道提供增益且增益不受信号偏振的影响。
1.1 几种可用于产生波长大于 1.5 μm 激光输出的稀土离子及相应的作在～1.5 μm 波段的掺铒光纤放大器（EDFA）是光纤通信网络中键器件之一。图 1.2 给出了 EDFA 的基本结构，其主要包括增益介、光耦合器、光隔离器等。EDFA 的研制成功是光通信发展过程中碑”[33 34]。它解决了光纤通信传输距离受光纤损耗限制的问题，将光长至几千公里，为光纤通信带来了革命性的变化。与其他光放大器放大器、拉曼光纤放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比较低多个信道提供增益且增益不受信号偏振的影响。
体场略有不同，这使得某一特定的 Stark 能级将出现一系列能量略，从而使稀土离子的吸收和发射光谱产生非均匀展宽，这对实现宽有利。EDFA增益介质的基质材料，Er3+掺杂碲酸盐玻璃还具有以下优点高折射率（～2.0）：玻璃中稀土离子的受激发射截面（S）与玻璃射率（n）有关， S (n2)/9n22 。高的折射率有利于获得大的受衡量光纤放大器增益介质的放大特性通常用荧光半高宽（FWH截面（σemi）乘积的大小来评价。两者之积越大，其放大性能越好了在碲酸盐玻璃、氟化物玻璃以及 Al/P 共掺石英玻璃三种不同玻璃子的受激发射截面的大小情况[66]。可以看出，在 1450～1650 nm 范玻璃基质中 Er3+离子具有最大的受激发射截面，尤其是在波长大于前者的受激发射截面是后两者的 2 倍以上。
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 於杏燕;戴世勋;周亚训;王训四;张培晴;刘永兴;徐铁峰;聂秋华;;掺铒硫系玻璃光纤的中红外增益特性模拟研究[J];中国激光;2012年01期
本文编号：2842111
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxuehuagong/2842111.html
