掺稀土氟化物添加锗酸盐玻璃2.0μm波段发光特性的研究
发布时间：2022-01-03 21:41
2.0μm波段掺稀土光纤激光器在材料加工、远程遥感、大气监测、医疗手术及国防军事等领域具有非常重要的应用前景。探索合适的玻璃基质对于2.0μm中红外波段激光器的研究具有重要的意义。锗酸盐玻璃由于其宽的中红外透过范围、低的最大声子振动能量、高的稀土掺杂含量等特性,被广泛用于2.0μm波段光纤激光器中。本文旨在研究掺稀土氟化物添加锗酸盐玻璃中的2.0μm波段高效发光性能。论文分为四章。第一章主要综述了2.0μm波段光纤激光器的特点、应用以及研究进展和存在的问题,重点介绍实现2.0μm波段发光与激光的稀土离子和相应的玻璃基质,包括锗酸盐玻璃基质及其光纤激光器的研究进展。第二章概述了实验制备方法与相关的理论计算,包括Judd-Ofelt理论、McCumber理论和Fuchtbauer-Ladenburg方程等。第三章和第四章分别研究了Er3+/Tm3+,Cr3+/Ho3+共掺锗酸盐玻璃的2.0μm波段发光,并且降低羟基吸收系数提高其发光效率。主要内容及结果如下:（1）研究了在980 nm二极管泵浦下Er
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水的吸收系数与激光的穿透深度Fig.1-1Opticalabsorptionofwaterandpenetrationdepthoflight
得到了显著提升。美国海军在 2010 年开展了光纤激光近防系统（LAWs） 利用非相干合成的方式获得了 33 kW 的最大输出功率，其在 3.2 kM 的距了 4 架时速超过 300 km/h 的无人机（UAV），如图 1-2 所示[16]。美国洛克在 2015 年采用了 30 kW 的光纤激光组束系统，成功摧毁了距离一英里以；接着于 2017 年在陆军白沙靶场击落了 5 架翼展 3.3 m 的“法外狂徒”系光束打击和执行速度比较之前的激光束快了两倍[16]。综合可知，大功率的于国民经济以及国家安全具有重大的战略意义。值得注意的是，2.0 μm 波一些非线性 3.0-5.0 μm 或 8.0-12.0 μm 可调谐光学参量振荡器（OPOs）或提供有效泵浦源。在军事领域中，3.0-5.0 μm 激光也是红外制导导弹探测，因此该光源不断地被应用在红外弹道引头的光电对抗领域中。并且 3.0石油开采、天然气管道的泄漏勘测等领域具有重要的战略价值。
基于设计新型光纤结构、优化光纤参数和利用调 Q、锁模、功率放大等的激光技术纤激光器能够获得超高光学品质单频窄线宽、超短激光脉冲以及超高功率的激光输纤激光器是由泵浦源、增益光纤介质和谐振腔而组成。其中，腔镜可采用对激光与光具有部分透过或反射的光学镀膜玻璃，或者直接在光纤里写入光栅结构，以及利纤末端面的反射作后腔镜[9]，可以获得激光的输出。如图 1-3 所示[16]，单模增益光质是由掺稀土离子的玻璃芯层，不掺稀土离子的玻璃包层而组成。作为不同波段光光器中的核心，光学谐振腔负责对产生的光子反馈和放大。因而，增益光纤是实现 光纤激光器高效发光和激光输出的关键，而激光输出要求增益介质中稀土离子具射的亚稳态能级，在泵浦源激发下能够产生粒子反转，且光纤损耗低于放大的光信就需要稀土离子具有合适的能级结构和较低的玻璃基质损耗。从图 1-3 中可以看出 2.0 μm 波段光纤激光器的稀土离子有 Tm3+和 Ho3+。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率激光装备小型化轻量化技术[J]. 安海霞,邓坤,闭治跃. 中国光学. 2017(03)
[2]Enhanced 1.8 μm emission in Er3+/Tm3+ co-doped lead silicate glasses under different excitations for near infrared laser[J]. 朱婷婷,唐国武,陈晓东,孙敏,钱奇,杨中民. Journal of Rare Earths. 2016(10)
[3]掺稀土光子玻璃近中红外发光与激光[J]. 王伟超,袁健,陈东丹,钱奇,徐善辉,杨中民,张勤远,姜中宏. 中国科学:技术科学. 2015(08)
[4]玻璃形成:定量预测研究（英文）[J]. 姜中宏,张勤远. Science China Materials. 2015(05)
[5]钡镓锗透明微晶玻璃的制备及性能[J]. 王衍行,祖成奎,陈江,韩滨,赵慧峰. 红外与激光工程. 2014(05)
[6]含氟化物的钡镓锗酸盐玻璃形成及其热性能[J]. 曹国喜,范有余,张龙,胡和方,干福熹. 硅酸盐学报. 2014(01)
[7]中红外玻璃材料发展及前沿应用[J]. 张龙,陈雷,范有余,羊毅,居永凤,袁新强,唐彬,姜雄伟. 光学学报. 2011(09)
[8]中波红外玻璃的研究[J]. 郭小青,王衍行. 电光与控制. 2011(08)
[9]High-powered millijoule pulse energy Tm3+-doped fiber amplifier at 2.05 μm[J]. 周仁来,鞠有伦,张云军,王月珠. Chinese Optics Letters. 2011(07)
[10]掺铒透明氧氟锗酸盐微晶玻璃的制备及发光性能研究[J]. 唐彬,王政,羊毅,张龙. 光学学报. 2010(08)
博士论文
[1]掺稀土多组分锗酸盐和碲酸盐玻璃光纤2.0-3.0μm中红外高效发光[D]. 王伟超.华南理工大学 2017
[2]2.0μm波段稀土掺杂碲酸盐玻璃光纤及其光谱和激光实验研究[D]. 袁健.华南理工大学 2015
[3]掺Ho3+氟氧化物微晶玻璃近—中红外发光特性研究[D]. 张维娟.华南理工大学 2012
硕士论文
[1]大族激光光纤事业部发展战略研究[D]. 章宇.吉林大学 2017
[2]2μm波段钡镓锗酸盐玻璃单模光纤的研究[D]. 温馨.华南理工大学 2015
[3]掺稀土锗酸盐玻璃的中红外光谱性能研究[D]. 魏涛.中国计量学院 2015
[4]掺铥钡镓锗酸盐玻璃光纤的研制[D]. 王建文.华南理工大学 2011
[5]锗酸盐氟氧化物玻璃的制备及性能研究[D]. 李秀明.浙江大学 2010
[6]2.1μm光学参量振荡激光器的研究与设计[D]. 吴月.长春理工大学 2008
本文编号：3567028
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
水的吸收系数与激光的穿透深度Fig.1-1Opticalabsorptionofwaterandpenetrationdepthoflight
得到了显著提升。美国海军在 2010 年开展了光纤激光近防系统（LAWs） 利用非相干合成的方式获得了 33 kW 的最大输出功率，其在 3.2 kM 的距了 4 架时速超过 300 km/h 的无人机（UAV），如图 1-2 所示[16]。美国洛克在 2015 年采用了 30 kW 的光纤激光组束系统，成功摧毁了距离一英里以；接着于 2017 年在陆军白沙靶场击落了 5 架翼展 3.3 m 的“法外狂徒”系光束打击和执行速度比较之前的激光束快了两倍[16]。综合可知，大功率的于国民经济以及国家安全具有重大的战略意义。值得注意的是，2.0 μm 波一些非线性 3.0-5.0 μm 或 8.0-12.0 μm 可调谐光学参量振荡器（OPOs）或提供有效泵浦源。在军事领域中，3.0-5.0 μm 激光也是红外制导导弹探测，因此该光源不断地被应用在红外弹道引头的光电对抗领域中。并且 3.0石油开采、天然气管道的泄漏勘测等领域具有重要的战略价值。
基于设计新型光纤结构、优化光纤参数和利用调 Q、锁模、功率放大等的激光技术纤激光器能够获得超高光学品质单频窄线宽、超短激光脉冲以及超高功率的激光输纤激光器是由泵浦源、增益光纤介质和谐振腔而组成。其中，腔镜可采用对激光与光具有部分透过或反射的光学镀膜玻璃，或者直接在光纤里写入光栅结构，以及利纤末端面的反射作后腔镜[9]，可以获得激光的输出。如图 1-3 所示[16]，单模增益光质是由掺稀土离子的玻璃芯层，不掺稀土离子的玻璃包层而组成。作为不同波段光光器中的核心，光学谐振腔负责对产生的光子反馈和放大。因而，增益光纤是实现 光纤激光器高效发光和激光输出的关键，而激光输出要求增益介质中稀土离子具射的亚稳态能级，在泵浦源激发下能够产生粒子反转，且光纤损耗低于放大的光信就需要稀土离子具有合适的能级结构和较低的玻璃基质损耗。从图 1-3 中可以看出 2.0 μm 波段光纤激光器的稀土离子有 Tm3+和 Ho3+。
【参考文献】：
期刊论文
[1]高功率激光装备小型化轻量化技术[J]. 安海霞,邓坤,闭治跃. 中国光学. 2017(03)
[2]Enhanced 1.8 μm emission in Er3+/Tm3+ co-doped lead silicate glasses under different excitations for near infrared laser[J]. 朱婷婷,唐国武,陈晓东,孙敏,钱奇,杨中民. Journal of Rare Earths. 2016(10)
[3]掺稀土光子玻璃近中红外发光与激光[J]. 王伟超,袁健,陈东丹,钱奇,徐善辉,杨中民,张勤远,姜中宏. 中国科学:技术科学. 2015(08)
[4]玻璃形成:定量预测研究（英文）[J]. 姜中宏,张勤远. Science China Materials. 2015(05)
[5]钡镓锗透明微晶玻璃的制备及性能[J]. 王衍行,祖成奎,陈江,韩滨,赵慧峰. 红外与激光工程. 2014(05)
[6]含氟化物的钡镓锗酸盐玻璃形成及其热性能[J]. 曹国喜,范有余,张龙,胡和方,干福熹. 硅酸盐学报. 2014(01)
[7]中红外玻璃材料发展及前沿应用[J]. 张龙,陈雷,范有余,羊毅,居永凤,袁新强,唐彬,姜雄伟. 光学学报. 2011(09)
[8]中波红外玻璃的研究[J]. 郭小青,王衍行. 电光与控制. 2011(08)
[9]High-powered millijoule pulse energy Tm3+-doped fiber amplifier at 2.05 μm[J]. 周仁来,鞠有伦,张云军,王月珠. Chinese Optics Letters. 2011(07)
[10]掺铒透明氧氟锗酸盐微晶玻璃的制备及发光性能研究[J]. 唐彬,王政,羊毅,张龙. 光学学报. 2010(08)
博士论文
[1]掺稀土多组分锗酸盐和碲酸盐玻璃光纤2.0-3.0μm中红外高效发光[D]. 王伟超.华南理工大学 2017
[2]2.0μm波段稀土掺杂碲酸盐玻璃光纤及其光谱和激光实验研究[D]. 袁健.华南理工大学 2015
[3]掺Ho3+氟氧化物微晶玻璃近—中红外发光特性研究[D]. 张维娟.华南理工大学 2012
硕士论文
[1]大族激光光纤事业部发展战略研究[D]. 章宇.吉林大学 2017
[2]2μm波段钡镓锗酸盐玻璃单模光纤的研究[D]. 温馨.华南理工大学 2015
[3]掺稀土锗酸盐玻璃的中红外光谱性能研究[D]. 魏涛.中国计量学院 2015
[4]掺铥钡镓锗酸盐玻璃光纤的研制[D]. 王建文.华南理工大学 2011
[5]锗酸盐氟氧化物玻璃的制备及性能研究[D]. 李秀明.浙江大学 2010
[6]2.1μm光学参量振荡激光器的研究与设计[D]. 吴月.长春理工大学 2008
本文编号：3567028
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