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

发布时间：2017-10-29 05:14

  本文关键词：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

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【摘要】：2.0μm波段激光在生物医疗、材料加工、人眼安全激光雷达、中红外激光泵浦源和中红外超连续谱产生等领域都有重要的应用,因而成为国际上研究的热点。目前用于2.0μm波段激光的玻璃基质研究重点已经从早期的石英玻璃、氟化物玻璃转移到重金属氧化物玻璃上。碲酸盐玻璃作为重金属氧化物玻璃的一种,一方面比石英玻璃、锗酸盐玻璃最大声子能量要低,另一方面比氟化物玻璃化学稳定性和机械性能要好。另外,它们具有高的稀土离子溶解能力以及大的吸收和发射截面。然而,常用于实现2.0μm波段激光的TeO2-ZnO-Na2O系统存在玻璃转变温度低和热膨胀系数大的缺点。因此,本课题旨在探求一种具有高玻璃转变温度、优异热稳定性能以及光谱性能的碲酸盐玻璃体系,并在此基础上探索吮吸法制备碲酸盐玻璃光纤的工艺以及进行2.0μm波段激光实验。本论文总共分为五章。论文第一章综述了2.0μm波段光纤激光器的应用及研究进展,介绍了2.0μm波段荧光或激光的激活离子及其产生机理,最后阐述了本课题的研究目的和研究内容。论文第二章首先研究了WO3含量对Tm3+单掺的碲钨锌镧玻璃结构、热稳定性能及光谱性能的影响。发现WO3含量为30 mol%时,玻璃转变温度达到424°C,并且在测试范围内没有观察到明显的析晶峰。此外,含有30 mol%WO3的玻璃具有高的发射截面(9.54×10-21 cm2)和增益系数(3.8 cm-1)。在此基础上,系统研究了Yb3+、Tm3+离子掺杂浓度和干燥氧气鼓泡时间对Yb3+/Tm3+共掺碲钨锌镧玻璃光谱性能的影响。当Yb2O3和Tm2O3浓度分别为2和0.5 mol%时,1.8μm荧光强度最高。计算了Tm3+与OH-之间的相互作用强度,发现它是Er3+与OH-之间的6.7倍,表明OH-基团会对1.8μm荧光和Tm3+:3F4能级寿命产生严重的猝灭。鼓入干燥氧气后,玻璃中OH-含量大幅度降低,1.8μm荧光强度增强以及Tm3+:3F4能级寿命延长。根据荧光衰减曲线,计算得到从Yb3+到Tm3+的能量传递效率高达97%。分别利用声子边带理论,广义光谱重叠理论和跳跃模型定量计算了Yb3+与Tm3+之间的能量传递系数,发现结果非常一致。正向能量传递系数与反向能量传递系数的比值为223,保证了强的1.8μm荧光发射。论文第三章研究了Nd3+掺杂浓度对Nd3+/Ho3+共掺碲钨锌镧玻璃光谱性能的影响。当Nd2O3浓度为0.5 mol%时,2.0μm发射强度最高。计算了Ho3+在2.0μm的发射截面和增益系数。确定了Nd3+→Ho3+的能量传递效率及系数。在此基础上引入了Yb3+离子,系统探讨了Yb3+掺杂浓度对热稳定性能和光谱性能的影响。少量Yb3+的引入会改善玻璃的热稳定性能,并且使玻璃转变温度增加到458°C。另外,2.0μm发射强度也得到了极大地增强。阐述了能量桥Yb3+离子改善2.0μm发光的原因。研究结果表明:Nd3+/Yb3+/Ho3+三掺可能是一种新的获取2.0μm波段激光的途径。论文第四章探索了吮吸法制备掺Tm3+碲钨锌镧玻璃光纤预制棒的工艺。最终在包层玻璃出料温度750°C,纤芯玻璃出料温度780°C,退火温度400°C以及合适的浇注速度情况下,成功制备出了无气泡3 cm长的光纤预制棒。在此基础上,通过拉丝温度、下棒速度和辊轮转速参数的优化,稳定地拉制出了性能良好的125μm多模碲钨锌镧玻璃光纤。另外,还探索了光纤预制棒的挤压及空心玻璃管制备工艺。利用切断法测试得到碲钨锌镧玻璃光纤在1310 nm处的损耗为4.44 dB/m。论文第五章利用掺Tm3+碲钨锌镧玻璃光纤作为增益介质,搭建了经典的F-P腔。在792 nm半导体激光器泵浦下,实现了强的荧光输出。和块体玻璃相比,光纤中荧光峰从1780 nm红移到1944 nm。搭建了1570 nm放大器,成功将10 mW信号光放大到900 mW。接着泵浦掺Tm3+双包层石英光纤,实现了2.0μm波段激光。研究了石英光纤长度对2.0μm波段激光阈值以及斜率效率的影响。20 cm是一个最佳长度,此时最高输出功率和斜率效率分别为193 mW和31.4%。搭建了1570 nm放大器泵浦的2.0μm波段掺Tm3+锗酸盐光纤激光器。研究了FBG加热温度对2.0μm波段激光波长的影响。当温度从30°C升高到280°C时,激光波长从1937.11 nm移动到1940.83 nm。利用沉积有石墨烯的D型光纤作为饱和吸收体,实现了2.0μm波段掺Tm3+锗酸盐光纤激光器的调Q。研究了泵浦光功率对脉冲频率和脉宽的影响。在泵浦光功率低于411 mW时,脉冲阵列非常稳定。当泵浦光功率从189 mW增加到411 mW时,脉冲频率从36.1 kHz增加到60.2 kHz,同时脉宽从3.61μs降低到1.92μs。另外,在411 mW泵浦光泵浦下,脉冲信号与噪声的强度比(SNR)大约为46 dB,这表明这个调Q激光脉冲是非常稳定的。
【关键词】：碲钨锌镧玻璃光纤 光谱性能 2.0μm波段激光 吮吸法
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ171.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 绪论13-37
• 1.1 引言13-17
• 1.2 2.0 μm波段光纤激光器的特点及应用17-20
• 1.3 实现 2.0 μm波段激光的激活离子及产生机理20-26
• 1.3.1 Tm~(3+)单掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理20-22
• 1.3.2 Ho~(3+)单掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理22-23
• 1.3.3 Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理23
• 1.3.4 Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理23-24
• 1.3.5 Yb~(3+)/Ho~(3+)共掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理24-25
• 1.3.6 Yb~(3+)/Tm~(3+)/Ho~(3+)共掺 2.0 μm波段的荧光或激光产生机理25-26
• 1.4 2.0 μm波段光纤激光器的研究进展26-35
• 1.4.1 2.0 μm波段石英光纤激光器的研究进展27-29
• 1.4.2 2.0 μm波段氟化物光纤激光器的研究进展29-30
• 1.4.3 2.0 μm波段锗酸盐光纤激光器的研究进展30-32
• 1.4.4 2.0 μm波段碲酸盐光纤激光器的研究进展32-35
• 1.5 本课题的研究目的和内容35-37
• 1.5.1 本课题的研究目的35-36
• 1.5.2 本课题的研究内容36-37
• 第二章 Tm~(3+)和Yb~(3+)/Tm~(3+)掺杂碲钨锌镧玻璃光谱性能研究37-68
• 2.1 Tm~(3+)单掺碲钨锌镧玻璃光谱性能38-50
• 2.1.1 样品制备38
• 2.1.2 WO_3含量对Tm~(3+)单掺碲钨锌镧玻璃结构的影响38-39
• 2.1.3 WO_3含量对碲钨锌镧玻璃热稳定性能的影响39-41
• 2.1.4 Tm~(3+)单掺碲钨锌镧玻璃吸收光谱和Judd-Ofelt理论分析41-45
• 2.1.5 WO_3含量对碲钨锌镧玻璃荧光光谱的影响45-47
• 2.1.6 Tm~(3+)单掺碲钨锌镧玻璃的吸收发射截面及增益性能47-50
• 2.2 Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃光谱性能50-66
• 2.2.1 样品制备50
• 2.2.2 Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃吸收光谱和Judd-Ofelt理论分析50-52
• 2.2.3 Yb~(3+)和Tm~(3+)离子掺杂浓度的优化52-54
• 2.2.4 Yb~(3+)和Tm~(3+)之间能量传递机理及能量传递参数计算54-63
• 2.2.5 鼓泡时间对Yb~(3+)/Tm~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃光谱性能影响63-66
• 2.3 本章小结66-68
• 第三章 Nd~(3+)/Ho~(3+)和Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)掺杂碲钨锌镧玻璃光谱性能研究68-90
• 3.1 Nd~(3+)/Ho~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃光谱性能69-80
• 3.1.1 样品制备69
• 3.1.2 Nd~(3+)/Ho~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃吸收光谱和Judd-Ofelt理论分析69-72
• 3.1.3 Nd~(3+)/Ho~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃荧光光谱及Nd~(3+)掺杂浓度的优化72-75
• 3.1.4 Nd~(3+)/Ho~(3+)共掺碲钨锌镧玻璃吸收发射截面及增益系数75-77
• 3.1.5 Nd~(3+)离子敏化Ho~(3+)离子的机理及能量传递参数的计算77-80
• 3.2 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三掺碲钨锌镧玻璃光谱性能80-89
• 3.2.1 样品制备80
• 3.2.2 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三掺碲钨锌镧玻璃热稳定性能80-82
• 3.2.3 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三掺碲钨锌镧玻璃吸收光谱82-83
• 3.2.4 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三掺碲钨锌镧玻璃荧光光谱及Yb~(3+)掺杂浓度优化83-85
• 3.2.5 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三掺碲钨锌镧玻璃的吸收发射截面85-86
• 3.2.6 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)之间能量传递机理及能量传递参数计算86-89
• 3.3 本章小结89-90
• 第四章 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤的制备及性能研究90-101
• 4.1 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤的制备91-98
• 4.1.1 碲钨锌镧玻璃光纤纤芯与包层玻璃配方91-93
• 4.1.2 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤预制棒制备工艺研究93-96
• 4.1.3 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤制备工艺研究96-98
• 4.2 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤损耗98-100
• 4.3 本章小结100-101
• 第五章 2.0 μm波段激光实验研究101-118
• 5.1 掺Tm~(3+)碲钨锌镧玻璃光纤 2.0 μm波段激光实验研究101-105
• 5.2 掺Tm~(3+)石英光纤 2.0 μm波段激光实验研究105-109
• 5.3 掺Tm~(3+)锗酸盐光纤 2.0 μm波段激光实验研究109-116
• 5.4 本章小结116-118
• 结论118-119
• 实验中的不足和尚需进一步研究的问题119-120
• 参考文献120-131
• 攻读博士学位期间取得的研究成果131-133
• 致谢133-135
• 附件135

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