一種中紅外增益硫化物光纖及制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光增益光纖及制備方法，特別是一種中紅外增益硫化物光纖及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2.5?5 μπι中紅外激光器在紅外對抗、大氣傳感、環(huán)境監(jiān)測和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均具有重要的應(yīng)用，在過去幾十年受到了廣泛關(guān)注。目前，光學(xué)參量振蕩器(OPO)和量子級聯(lián)激光器(QCL)是使用較廣泛的中紅外激光光源。然而，OPO系統(tǒng)復(fù)雜，QCL存在激光穩(wěn)定性問題，并且二者成本都比較高，這些缺點(diǎn)限制了其在實(shí)際中的應(yīng)用?；诩せ铍x子摻雜增益介質(zhì)的固體激光器通常具有集成度高、效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來備受關(guān)注。目前，中紅外固體激光器面臨的主要問題之一是缺少高質(zhì)量的增益介質(zhì)。在過去二十年間，研宄人員對晶體和玻璃增益介質(zhì)做了大量的研宄和評估，并在稀土摻雜和過渡金屬摻雜的晶體材料中獲得了中紅外2?5 ym中紅外激光輸出。與晶體介質(zhì)相比，玻璃具有易制備和易成型等優(yōu)點(diǎn)，因此更利于制備高效率和低成本的激光器。硫化物玻璃具有較低的聲子能量，以此類玻璃為基質(zhì)的稀土摻雜增益介質(zhì)被認(rèn)為是一類極具潛力的中紅外激光材料。然而現(xiàn)有稀土摻雜硫化物光纖的發(fā)光強(qiáng)度較弱，發(fā)光量子效率較低(〈50% )，很難獲得實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是要提供一種中紅外增益硫化物光纖及制備方法，解決現(xiàn)有稀土摻雜硫化物光纖在2.5?5 μπι中紅外波段的發(fā)光強(qiáng)度弱或不發(fā)光、發(fā)光量子效率低的問題。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:采用如下技術(shù)方案:
[0005]中紅外增益光纖包括光纖芯和光纖包層；光纖芯材料為稀土離子摻雜的Ga-Sb-As-S玻璃，光纖包層材料為Ga-Sb-As-S玻璃；光纖芯玻璃的折射率大于包層玻璃的折射率。
[0006]作為優(yōu)選，所述的Ga-Sb-As-S玻璃的化學(xué)組成式為 Ga(i—x—y—z) SbxASySz， 其中X =
0.28 ?0.32，y = 0.02 ?0.06，z = 0.55 ?0.65。
[0007]作為優(yōu)選，所述的稀土離子為Dy3+，Er3+，Tm3+中的一種。
[0008]作為優(yōu)選，所述的摻雜稀土離子的摩爾濃度為0.05%?1%。
[0009]中紅外增益硫化物光纖的制備方法，該方法為棒管法，包括下述步驟:
[0010](4)將光纖芯玻璃棒在軟化溫度附近拉制成玻璃細(xì)棒；
[0011](5)將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光；
[0012](6)將步驟(I)所得玻璃細(xì)棒插入步驟(2)所得玻璃套管中，在玻璃軟化溫度即310°C -320°C拉制成光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖。
[0013]所述光纖芯玻璃棒和包層玻璃棒采用制備硫系玻璃常用的真空熔融淬冷法制備。
[0014]有益效果，由于采用了上述方案，本發(fā)明采用的Ga-Sb-As-S光纖芯基質(zhì)玻璃中含有大量的重金屬Sb，該元素參與了玻璃網(wǎng)絡(luò)的形成，使此玻璃的有效聲子能量(?300CHT1)比普通硫化物玻璃(?450cm—1)顯著降低，從而大幅降低摻雜稀土離子能級的多聲子弛豫速率，提高稀土離子的中紅外發(fā)光強(qiáng)度和量子效率。本發(fā)明增益光纖在2.5?5 μπι具有強(qiáng)的發(fā)光，發(fā)光量子效率大于70%?？勺鳛榈统杀?、緊湊型中紅外光纖激光器的核心增益介質(zhì)。解決了現(xiàn)有稀土摻雜硫化物光纖在2.5?5 μπι中紅外波段的發(fā)光強(qiáng)度弱或不發(fā)光、發(fā)光量子效率低的問題，達(dá)到了本發(fā)明的目的。
[0015]優(yōu)點(diǎn):與現(xiàn)有稀土摻雜硫化物玻璃光纖相比，本發(fā)明增益光纖在2.5?5 μ m中紅外波段發(fā)光強(qiáng)、發(fā)光量子效率高。
【附圖說明】
:
[0016]圖1 是本發(fā)明的 0.05% Dy3+摻雜 Ga W8Sba32Asa Q5Sa55ZGaatl8Sba S1Asatl6Sa55光纖的近紅外光學(xué)照片。
[0017]圖2 是本發(fā)明的 0.05% Dy3+摻雜 Ga W8Sba32Asa Q5Sa55ZGaatl8Sba S1Asatl6Sa55光纖在
1.32 μ m激發(fā)下的中紅外發(fā)射光譜。
[0018]圖3 是本發(fā)明的 I % Er3+摻雜 Ga 0.06Sb0.30As0.04S0.60/Ga0.06Sb0.28As0.06S0.60光纖在0.98 μ m激發(fā)下的中紅外發(fā)射光譜。
[0019]圖4 是本發(fā)明的 0.2% Tm3+摻雜 Ga ^Sba Jsaci2Sc1.JGaatl4Sba^satl3Sa65光纖在0.81 μ m激發(fā)下的中紅外發(fā)射光譜。
【具體實(shí)施方式】
[0020]中紅外增益光纖包括光纖芯和光纖包層；光纖芯材料為稀土離子摻雜的Ga-Sb-As-S玻璃，光纖包層材料為Ga-Sb-As-S玻璃；光纖芯玻璃的折射率大于包層玻璃的折射率。
[0021]作為優(yōu)選，所述的Ga-Sb-As-S玻璃的化學(xué)組成式為 Ga(i—x—y—z) SbxASySz， 其中X =0.28 ?0.32，y = 0.02 ?0.06，z = 0.55 ?0.65。
[0022]作為優(yōu)選，所述的稀土離子為Dy3+，Er3+，Tm3+中的一種。
[0023]作為優(yōu)選，所述的摻雜稀土離子的摩爾濃度為0.05%?1%。
[0024]中紅外增益硫化物光纖的制備方法，該方法為棒管法，包括下述步驟:
[0025](I)將光纖芯玻璃棒在軟化溫度附近拉制成玻璃細(xì)棒；
[0026](2)將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光；
[0027](3)將步驟(I)所得玻璃細(xì)棒插入步驟(2)所得玻璃套管中，在玻璃軟化溫度即310°C -320°C拉制成光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖。
[0028]所述光纖芯玻璃棒和包層玻璃棒采用制備硫系玻璃常用的真空熔融淬冷法制備。
[0029]下面將通過實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，但本發(fā)明并非僅限于所舉之例。
[0030]實(shí)施例1:0.05% Dy3+摻雜 Ga W8Sba32Astl.Q5Sa55ZGaatl8SbaS1Asatl6Sa55光纖制備
[0031]采用制備硫系玻璃常用的真空熔融-淬冷法制備直徑為1mm的0.05% Dy3+摻雜Ga。.Cl8Sba32Asatl5Sa55纖芯玻璃棒和直徑1mm的Ga Cltl8Sba31Asaci6Sa55包層玻璃棒。將纖芯玻璃棒在320°C拉制成直徑為2.3mm的玻璃細(xì)棒；將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得內(nèi)徑為2.3mm的玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光；將所得直徑為2.3mm玻璃細(xì)棒插入玻璃套管中，在320°C拉制成直徑為300 μπι的光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖，如圖1所示。
[0032]測試結(jié)果顯示:光纖在2.92 μm, 3.58 μπι和4.41 μm處具有較強(qiáng)的發(fā)光，如圖2所不。根據(jù)Judd-Ofelt理論計(jì)算，材料在上述波長處的發(fā)光量子效率分別為85%，78%和73%。
[0033]實(shí)施例2:1% Er3+摻雜 Ga a(l6Sb。.3(lAs。.。4\.6(I/Ga。.Q6Sba28Asaci6Sa6ci光纖制備
[0034]采用制備硫系玻璃常用的真空熔融-淬冷法制備直徑1mm的I % Er3+摻雜Ga。.Q6Sba3tlAsc1.Q4Sa6tl纖芯玻璃棒和直徑1mm的Ga (^ci6Sba28Asa ^5Sa6tl包層玻璃棒。將纖芯玻璃棒在315°C拉制成直徑為2.3mm的玻璃細(xì)棒；將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得內(nèi)徑為2.3mm的玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光；將所得直徑為2.3mm玻璃細(xì)棒插入玻璃套管中，在315°C拉制成直徑為300 μπι的光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖。
[0035]測試結(jié)果顯示:光纖在2.77 μπι處具有較強(qiáng)的發(fā)光，如圖3所示。根據(jù)Judd-Ofelt理論計(jì)算，材料在上述波長處的發(fā)光量子效率為88%。
[0036]實(shí)施例3:0.2% Tm3+摻雜 Ga Q.Jba29Asc1.^a65ZGaatl4Sba^saci3Sa65光纖制備
[0037]采用制備硫系玻璃常用的真空熔融-淬冷法制備直徑1mm的0.2 % Tm3+摻雜Ga。.Q4Sba29Asaci2Sa65纖芯玻璃棒和直徑1mm的Ga ^tl4Sba28Asatl3Sa65包層玻璃。將纖芯玻璃棒在310°C拉制成直徑為2.3mm的玻璃細(xì)棒；將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得內(nèi)徑為
2.3mm的玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光；將所得直徑為2.3mm玻璃細(xì)棒插入玻璃套管中，在310°C拉制成直徑為300 μπι的光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖。
[0038]測試結(jié)果顯示:光纖在3.78μπι處具有較強(qiáng)的發(fā)光，如圖4所示。根據(jù)Judd-Ofelt理論計(jì)算，材料在上述波長處的發(fā)光量子效率為75%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種中紅外增益硫化物光纖，其特征是:中紅外增益光纖包括光纖芯和光纖包層；光纖芯材料為稀土離子摻雜的Ga-Sb-As-S玻璃，光纖包層材料為Ga-Sb-As-S玻璃；光纖芯玻璃的折射率大于包層玻璃的折射率。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外增益硫化物光纖，其特征是:所述的Ga-Sb-As-S玻璃的化學(xué)組成式為 Ga (1_x_y_z) SbxAsySz，其中 χ=0.28-0.32，y=0.02-0.06，z=0.55-0.65。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外增益硫化物光纖，其特征是:所述的稀土離子為Dy3+，Er3+，Tm3+中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種中紅外增益硫化物光纖，其特征是:所述的摻雜稀土離子的摩爾濃度為0.05%~1%。5.權(quán)利要求1所述的一種中紅外增益硫化物光纖的制備方法，其特征是:中紅外增益硫化物光纖的制備方法，該方法為棒管法，包括下述步驟: 將光纖芯玻璃棒在軟化溫度附近拉制成玻璃細(xì)棒； 將光纖包層玻璃棒沿中心軸鉆孔，獲得玻璃套管，并將玻璃套管內(nèi)壁拋光； 將步驟(I)所得玻璃細(xì)棒插入步驟(2)所得玻璃套管中，在玻璃軟化溫度即310°C -320°C拉制成光纖，即得本發(fā)明所述中紅外增益光纖。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種中紅外增益硫化物光纖的制備方法，其特征是:所述光纖芯玻璃棒和包層玻璃棒采用制備硫系玻璃常用的真空熔融淬冷法制備。
【專利摘要】一種中紅外增益硫化物光纖及制備方法，屬于激光增益光纖及制備方法。本發(fā)明光纖芯材料為稀土離子摻雜的Ga-Sb-As-S玻璃，光纖包層材料為Ga-Sb-As-S玻璃；光纖芯玻璃的折射率大于包層玻璃的折射率；Ga-Sb-As-S玻璃的化學(xué)組成式為Ga(1-x-y-z)SbxAsySz，其中x＝0.26～0.32，y＝0.02～0.06，z＝0.55～0.65；所述稀土離子為Dy3+,Er3+,Tm3+中的一種，摻雜稀土離子的摩爾濃度為0.05％～1％。光纖采用棒管法制備，即將纖芯玻璃和包層玻璃分別制作成細(xì)棒和套管，然后將纖芯玻璃細(xì)棒插入包層玻璃套管，拉制成最終尺寸的光纖。本發(fā)明增益硫化物光纖在2.5～5μm具有強(qiáng)的發(fā)光，發(fā)光量子效率大于70％，可作為低成本、緊湊型中紅外光纖激光器的核心增益介質(zhì)。
【IPC分類】C03B37/025, C03C13/04
【公開號】CN104973793
【申請?zhí)枴緾N201510398924
【發(fā)明人】楊安平, 楊志勇, 張鳴杰, 張斌, 翟程程, 祁思勝, 唐定遠(yuǎn)
【申請人】江蘇師范大學(xué)
【公開日】2015年10月14日
【申請日】2015年7月8日