紅外光纖激光在光通信、生物醫(yī)療、環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、工業(yè)加工、軍事以及基礎(chǔ)研究等眾多領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。增益光纖作為紅外光纖激光的重要組成部分，其基質(zhì)材料的選擇以及光纖的設(shè)計(jì)與制備對(duì)激光的性能有著重要的影響。傳統(tǒng)石英光纖的紅外透光窗口相對(duì)較窄（300～2500nm）、非線性系數(shù)較低且聲子能量較高，這在一定程度上限制了其應(yīng)用范圍，尤其是其在中紅外波段器件方面的應(yīng)用。因此，探索新的光纖材料與光纖結(jié)構(gòu)、研究新型光纖的光學(xué)性質(zhì)對(duì)推動(dòng)紅外光纖激光的發(fā)展具有非常重要的意義。 碲酸鹽光纖是一類典型的特種玻璃光纖。它具有寬的增益帶寬、較低的聲子能量、高的非線性系數(shù)、較好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。理論上預(yù)計(jì)，利用碲酸鹽光纖作為增益介質(zhì)，我們可以制得超寬帶光纖放大器和中紅外波段光纖激光器等。然而，要想研制上述器件，在碲酸鹽光纖的制備以及相關(guān)器件的研究方面還存在一些亟待解決的問題： （1）帶寬問題：Er3+離子摻雜的碲酸鹽光纖是目前公認(rèn)的研制寬帶摻鉺光纖放大器（EDFA）的理想增益介質(zhì)，但是摻Er3+碲酸鹽光纖放大器的工作帶寬與理論值相比還有一定差距，故進(jìn)一步拓寬其工作帶寬具有很大的實(shí)用價(jià)值。 （2）寬帶寬與高輸出功率的兼顧問題：?jiǎn)渭円揽抗饫w的非線性光學(xué)效應(yīng)獲得超連續(xù)（SC）光譜很難同時(shí)兼顧寬帶寬和高輸出功率兩方面特性，所以探索新途徑以緩解上述矛盾是進(jìn)一步提高SC光源性能的關(guān)鍵。 （3）氟碲酸鹽光纖的熱穩(wěn)定性問題：傳統(tǒng)碲酸鹽玻璃中羥基（OH）的存在嚴(yán)重限制了碲酸鹽光纖在中紅外波段激光器件方面的應(yīng)用。在碲酸鹽玻璃體系中引入氟化物組分可以降低玻璃中的OH含量，然而F的引入還會(huì)降低玻璃的熱穩(wěn)定性，為氟碲酸鹽光纖的制備帶來一定的困難。因此，探索熱穩(wěn)定性好且OH含量低的氟碲酸鹽玻璃，并用其制備氟碲酸鹽光纖對(duì)研制實(shí)用化中紅外光纖激光器件具有重要的意義。 針對(duì)上述問題，我們圍繞稀土離子摻雜碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖的制備及其光學(xué)性質(zhì)開展了一系列的研究工作。在寬帶EDFA、有源光纖中的SC光譜產(chǎn)生以及氟碲酸鹽光纖的探索等方面取得了創(chuàng)新性的研究結(jié)果。分別闡述如下： （1）選用TeO2ZnO Na2O Bi2O3（TZNB）玻璃體系作基質(zhì)，用棒管法成功制備出了Er3+離子摻雜的碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖(EDTMF)。利用EDTMF作為增益介質(zhì)，在1480nm激光器泵浦下，實(shí)現(xiàn)了帶寬為113nm（15241637nm）的寬帶光放大。與前人報(bào)道的結(jié)果相比（最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)為1634nm），其最長(zhǎng)工作波長(zhǎng)被拓展到了1637nm，達(dá)到了摻鉺碲酸鹽光纖放大器的理論長(zhǎng)波極限。同時(shí)，利用EDTMF作為增益介質(zhì)，我們還獲得了高效率激光輸出，并觀察到了自調(diào)Q現(xiàn)象。 （2）用棒管法制備出了Tm3+離子摻雜的碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖（TDTMF）。研究了在1560nm脈沖激光泵浦下TDTMF中SC光譜的產(chǎn)生。研究結(jié)果表明Tm3+的寬帶放大作用有利于SC光進(jìn)一步向長(zhǎng)波方向拓展。這個(gè)研究結(jié)果為緩解超連續(xù)光譜帶寬和輸出功率之間的矛盾提供了一種可能的途徑。另外，在脈沖激光泵浦下，隨著超連續(xù)光譜變寬，我們還觀察到了TDTMF中增強(qiáng)的800nm（Tm3+:3H4→3H6躍遷）上轉(zhuǎn)換發(fā)光。與連續(xù)激光泵浦方式相比，800nm處上轉(zhuǎn)換發(fā)光強(qiáng)度增強(qiáng)了～4.1倍。 （3）探索出OH含量低、熱穩(wěn)定性好的氟碲酸鹽玻璃體系TeO2–BaF2–Y2O3（TBY），并以其為基質(zhì)制備出了Er3+摻雜的氟碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖（EDFTMF）。在1480nm或980nm激光泵浦下，利用EDFTMF作為增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了～1.5μm波段的高效率激光輸出和寬帶光放大，同時(shí)還測(cè)得了波長(zhǎng)為～2.7μm的強(qiáng)中紅外發(fā)光。該結(jié)果表明，EDFTMF可用于研制高效率的寬帶光纖放大器和中紅外波段光纖激光器。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：TQ171.777.16;TN253
【部分圖文】：

圖 1.1 幾種可用于產(chǎn)生波長(zhǎng)大于 1.5 μm 激光輸出的稀土離子及相應(yīng)的能級(jí)躍遷。工作在～1.5 μm 波段的摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的關(guān)鍵器件之一。圖 1.2 給出了 EDFA 的基本結(jié)構(gòu)，其主要包括增益介質(zhì)、泵浦光源、光耦合器、光隔離器等。EDFA 的研制成功是光通信發(fā)展過程中的一個(gè)“里程碑”[33 34]。它解決了光纖通信傳輸距離受光纖損耗限制的問題，將光纖通信距離延長(zhǎng)至幾千公里，為光纖通信帶來了革命性的變化。與其他光放大器（如半導(dǎo)體光放大器、拉曼光纖放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比較低，可以同時(shí)為多個(gè)信道提供增益且增益不受信號(hào)偏振的影響。

1.1 幾種可用于產(chǎn)生波長(zhǎng)大于 1.5 μm 激光輸出的稀土離子及相應(yīng)的作在～1.5 μm 波段的摻鉺光纖放大器（EDFA）是光纖通信網(wǎng)絡(luò)中鍵器件之一。圖 1.2 給出了 EDFA 的基本結(jié)構(gòu)，其主要包括增益介、光耦合器、光隔離器等。EDFA 的研制成功是光通信發(fā)展過程中碑”[33 34]。它解決了光纖通信傳輸距離受光纖損耗限制的問題，將光長(zhǎng)至幾千公里，為光纖通信帶來了革命性的變化。與其他光放大器放大器、拉曼光纖放大器等）相比，EDFA 需要的泵浦功率比較低多個(gè)信道提供增益且增益不受信號(hào)偏振的影響。

體場(chǎng)略有不同，這使得某一特定的 Stark 能級(jí)將出現(xiàn)一系列能量略，從而使稀土離子的吸收和發(fā)射光譜產(chǎn)生非均勻展寬，這對(duì)實(shí)現(xiàn)寬有利。EDFA增益介質(zhì)的基質(zhì)材料，Er3+摻雜碲酸鹽玻璃還具有以下優(yōu)點(diǎn)高折射率（～2.0）：玻璃中稀土離子的受激發(fā)射截面（S）與玻璃射率（n）有關(guān)， S (n2)/9n22 。高的折射率有利于獲得大的受衡量光纖放大器增益介質(zhì)的放大特性通常用熒光半高寬（FWH截面（σemi）乘積的大小來評(píng)價(jià)。兩者之積越大，其放大性能越好了在碲酸鹽玻璃、氟化物玻璃以及 Al/P 共摻石英玻璃三種不同玻璃子的受激發(fā)射截面的大小情況[66]�？梢钥闯�，在 1450～1650 nm 范玻璃基質(zhì)中 Er3+離子具有最大的受激發(fā)射截面，尤其是在波長(zhǎng)大于前者的受激發(fā)射截面是后兩者的 2 倍以上。
【參考文獻(xiàn)】

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1 於杏燕;戴世勛;周亞訓(xùn);王訓(xùn)四;張培晴;劉永興;徐鐵峰;聶秋華;;摻鉺硫系玻璃光纖的中紅外增益特性模擬研究[J];中國(guó)激光;2012年01期

本文編號(hào)：2842111