本文關(guān)鍵詞：2.0μm波段稀土摻雜碲酸鹽玻璃光纖及其光譜和激光實(shí)驗(yàn)研究

  更多相關(guān)文章： 碲鎢鋅鑭玻璃光纖 光譜性能 2.0μm波段激光 吮吸法

【摘要】：2.0μm波段激光在生物醫(yī)療、材料加工、人眼安全激光雷達(dá)、中紅外激光泵浦源和中紅外超連續(xù)譜產(chǎn)生等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用,因而成為國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。目前用于2.0μm波段激光的玻璃基質(zhì)研究重點(diǎn)已經(jīng)從早期的石英玻璃、氟化物玻璃轉(zhuǎn)移到重金屬氧化物玻璃上。碲酸鹽玻璃作為重金屬氧化物玻璃的一種,一方面比石英玻璃、鍺酸鹽玻璃最大聲子能量要低,另一方面比氟化物玻璃化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能要好。另外,它們具有高的稀土離子溶解能力以及大的吸收和發(fā)射截面。然而,常用于實(shí)現(xiàn)2.0μm波段激光的TeO2-ZnO-Na2O系統(tǒng)存在玻璃轉(zhuǎn)變溫度低和熱膨脹系數(shù)大的缺點(diǎn)。因此,本課題旨在探求一種具有高玻璃轉(zhuǎn)變溫度、優(yōu)異熱穩(wěn)定性能以及光譜性能的碲酸鹽玻璃體系,并在此基礎(chǔ)上探索吮吸法制備碲酸鹽玻璃光纖的工藝以及進(jìn)行2.0μm波段激光實(shí)驗(yàn)。本論文總共分為五章。論文第一章綜述了2.0μm波段光纖激光器的應(yīng)用及研究進(jìn)展,介紹了2.0μm波段熒光或激光的激活離子及其產(chǎn)生機(jī)理,最后闡述了本課題的研究目的和研究?jī)?nèi)容。論文第二章首先研究了WO3含量對(duì)Tm3+單摻的碲鎢鋅鑭玻璃結(jié)構(gòu)、熱穩(wěn)定性能及光譜性能的影響。發(fā)現(xiàn)WO3含量為30 mol%時(shí),玻璃轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到424°C,并且在測(cè)試范圍內(nèi)沒有觀察到明顯的析晶峰。此外,含有30 mol%WO3的玻璃具有高的發(fā)射截面(9.54×10-21 cm2)和增益系數(shù)(3.8 cm-1)。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)研究了Yb3+、Tm3+離子摻雜濃度和干燥氧氣鼓泡時(shí)間對(duì)Yb3+/Tm3+共摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能的影響。當(dāng)Yb2O3和Tm2O3濃度分別為2和0.5 mol%時(shí),1.8μm熒光強(qiáng)度最高。計(jì)算了Tm3+與OH-之間的相互作用強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)它是Er3+與OH-之間的6.7倍,表明OH-基團(tuán)會(huì)對(duì)1.8μm熒光和Tm3+:3F4能級(jí)壽命產(chǎn)生嚴(yán)重的猝滅。鼓入干燥氧氣后,玻璃中OH-含量大幅度降低,1.8μm熒光強(qiáng)度增強(qiáng)以及Tm3+:3F4能級(jí)壽命延長(zhǎng)。根據(jù)熒光衰減曲線,計(jì)算得到從Yb3+到Tm3+的能量傳遞效率高達(dá)97%。分別利用聲子邊帶理論,廣義光譜重疊理論和跳躍模型定量計(jì)算了Yb3+與Tm3+之間的能量傳遞系數(shù),發(fā)現(xiàn)結(jié)果非常一致。正向能量傳遞系數(shù)與反向能量傳遞系數(shù)的比值為223,保證了強(qiáng)的1.8μm熒光發(fā)射。論文第三章研究了Nd3+摻雜濃度對(duì)Nd3+/Ho3+共摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能的影響。當(dāng)Nd2O3濃度為0.5 mol%時(shí),2.0μm發(fā)射強(qiáng)度最高。計(jì)算了Ho3+在2.0μm的發(fā)射截面和增益系數(shù)。確定了Nd3+→Ho3+的能量傳遞效率及系數(shù)。在此基礎(chǔ)上引入了Yb3+離子,系統(tǒng)探討了Yb3+摻雜濃度對(duì)熱穩(wěn)定性能和光譜性能的影響。少量Yb3+的引入會(huì)改善玻璃的熱穩(wěn)定性能,并且使玻璃轉(zhuǎn)變溫度增加到458°C。另外,2.0μm發(fā)射強(qiáng)度也得到了極大地增強(qiáng)。闡述了能量橋Yb3+離子改善2.0μm發(fā)光的原因。研究結(jié)果表明:Nd3+/Yb3+/Ho3+三摻可能是一種新的獲取2.0μm波段激光的途徑。論文第四章探索了吮吸法制備摻Tm3+碲鎢鋅鑭玻璃光纖預(yù)制棒的工藝。最終在包層玻璃出料溫度750°C,纖芯玻璃出料溫度780°C,退火溫度400°C以及合適的澆注速度情況下,成功制備出了無(wú)氣泡3 cm長(zhǎng)的光纖預(yù)制棒。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)拉絲溫度、下棒速度和輥輪轉(zhuǎn)速參數(shù)的優(yōu)化,穩(wěn)定地拉制出了性能良好的125μm多模碲鎢鋅鑭玻璃光纖。另外,還探索了光纖預(yù)制棒的擠壓及空心玻璃管制備工藝。利用切斷法測(cè)試得到碲鎢鋅鑭玻璃光纖在1310 nm處的損耗為4.44 dB/m。論文第五章利用摻Tm3+碲鎢鋅鑭玻璃光纖作為增益介質(zhì),搭建了經(jīng)典的F-P腔。在792 nm半導(dǎo)體激光器泵浦下,實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)的熒光輸出。和塊體玻璃相比,光纖中熒光峰從1780 nm紅移到1944 nm。搭建了1570 nm放大器,成功將10 mW信號(hào)光放大到900 mW。接著泵浦摻Tm3+雙包層石英光纖,實(shí)現(xiàn)了2.0μm波段激光。研究了石英光纖長(zhǎng)度對(duì)2.0μm波段激光閾值以及斜率效率的影響。20 cm是一個(gè)最佳長(zhǎng)度,此時(shí)最高輸出功率和斜率效率分別為193 mW和31.4%。搭建了1570 nm放大器泵浦的2.0μm波段摻Tm3+鍺酸鹽光纖激光器。研究了FBG加熱溫度對(duì)2.0μm波段激光波長(zhǎng)的影響。當(dāng)溫度從30°C升高到280°C時(shí),激光波長(zhǎng)從1937.11 nm移動(dòng)到1940.83 nm。利用沉積有石墨烯的D型光纖作為飽和吸收體,實(shí)現(xiàn)了2.0μm波段摻Tm3+鍺酸鹽光纖激光器的調(diào)Q。研究了泵浦光功率對(duì)脈沖頻率和脈寬的影響。在泵浦光功率低于411 mW時(shí),脈沖陣列非常穩(wěn)定。當(dāng)泵浦光功率從189 mW增加到411 mW時(shí),脈沖頻率從36.1 kHz增加到60.2 kHz,同時(shí)脈寬從3.61μs降低到1.92μs。另外,在411 mW泵浦光泵浦下,脈沖信號(hào)與噪聲的強(qiáng)度比(SNR)大約為46 dB,這表明這個(gè)調(diào)Q激光脈沖是非常穩(wěn)定的。
【關(guān)鍵詞】：碲鎢鋅鑭玻璃光纖 光譜性能 2.0μm波段激光 吮吸法
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TQ171.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第一章 緒論13-37
• 1.1 引言13-17
• 1.2 2.0 μm波段光纖激光器的特點(diǎn)及應(yīng)用17-20
• 1.3 實(shí)現(xiàn) 2.0 μm波段激光的激活離子及產(chǎn)生機(jī)理20-26
• 1.3.1 Tm~(3+)單摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理20-22
• 1.3.2 Ho~(3+)單摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理22-23
• 1.3.3 Yb~(3+)/Tm~(3+)共摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理23
• 1.3.4 Tm~(3+)/Ho~(3+)共摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理23-24
• 1.3.5 Yb~(3+)/Ho~(3+)共摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理24-25
• 1.3.6 Yb~(3+)/Tm~(3+)/Ho~(3+)共摻 2.0 μm波段的熒光或激光產(chǎn)生機(jī)理25-26
• 1.4 2.0 μm波段光纖激光器的研究進(jìn)展26-35
• 1.4.1 2.0 μm波段石英光纖激光器的研究進(jìn)展27-29
• 1.4.2 2.0 μm波段氟化物光纖激光器的研究進(jìn)展29-30
• 1.4.3 2.0 μm波段鍺酸鹽光纖激光器的研究進(jìn)展30-32
• 1.4.4 2.0 μm波段碲酸鹽光纖激光器的研究進(jìn)展32-35
• 1.5 本課題的研究目的和內(nèi)容35-37
• 1.5.1 本課題的研究目的35-36
• 1.5.2 本課題的研究?jī)?nèi)容36-37
• 第二章 Tm~(3+)和Yb~(3+)/Tm~(3+)摻雜碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能研究37-68
• 2.1 Tm~(3+)單摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能38-50
• 2.1.1 樣品制備38
• 2.1.2 WO_3含量對(duì)Tm~(3+)單摻碲鎢鋅鑭玻璃結(jié)構(gòu)的影響38-39
• 2.1.3 WO_3含量對(duì)碲鎢鋅鑭玻璃熱穩(wěn)定性能的影響39-41
• 2.1.4 Tm~(3+)單摻碲鎢鋅鑭玻璃吸收光譜和Judd-Ofelt理論分析41-45
• 2.1.5 WO_3含量對(duì)碲鎢鋅鑭玻璃熒光光譜的影響45-47
• 2.1.6 Tm~(3+)單摻碲鎢鋅鑭玻璃的吸收發(fā)射截面及增益性能47-50
• 2.2 Yb~(3+)/Tm~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能50-66
• 2.2.1 樣品制備50
• 2.2.2 Yb~(3+)/Tm~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃吸收光譜和Judd-Ofelt理論分析50-52
• 2.2.3 Yb~(3+)和Tm~(3+)離子摻雜濃度的優(yōu)化52-54
• 2.2.4 Yb~(3+)和Tm~(3+)之間能量傳遞機(jī)理及能量傳遞參數(shù)計(jì)算54-63
• 2.2.5 鼓泡時(shí)間對(duì)Yb~(3+)/Tm~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能影響63-66
• 2.3 本章小結(jié)66-68
• 第三章 Nd~(3+)/Ho~(3+)和Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)摻雜碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能研究68-90
• 3.1 Nd~(3+)/Ho~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能69-80
• 3.1.1 樣品制備69
• 3.1.2 Nd~(3+)/Ho~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃吸收光譜和Judd-Ofelt理論分析69-72
• 3.1.3 Nd~(3+)/Ho~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃熒光光譜及Nd~(3+)摻雜濃度的優(yōu)化72-75
• 3.1.4 Nd~(3+)/Ho~(3+)共摻碲鎢鋅鑭玻璃吸收發(fā)射截面及增益系數(shù)75-77
• 3.1.5 Nd~(3+)離子敏化Ho~(3+)離子的機(jī)理及能量傳遞參數(shù)的計(jì)算77-80
• 3.2 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三摻碲鎢鋅鑭玻璃光譜性能80-89
• 3.2.1 樣品制備80
• 3.2.2 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三摻碲鎢鋅鑭玻璃熱穩(wěn)定性能80-82
• 3.2.3 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三摻碲鎢鋅鑭玻璃吸收光譜82-83
• 3.2.4 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三摻碲鎢鋅鑭玻璃熒光光譜及Yb~(3+)摻雜濃度優(yōu)化83-85
• 3.2.5 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)三摻碲鎢鋅鑭玻璃的吸收發(fā)射截面85-86
• 3.2.6 Nd~(3+)/Yb~(3+)/Ho~(3+)之間能量傳遞機(jī)理及能量傳遞參數(shù)計(jì)算86-89
• 3.3 本章小結(jié)89-90
• 第四章 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖的制備及性能研究90-101
• 4.1 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖的制備91-98
• 4.1.1 碲鎢鋅鑭玻璃光纖纖芯與包層玻璃配方91-93
• 4.1.2 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖預(yù)制棒制備工藝研究93-96
• 4.1.3 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖制備工藝研究96-98
• 4.2 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖損耗98-100
• 4.3 本章小結(jié)100-101
• 第五章 2.0 μm波段激光實(shí)驗(yàn)研究101-118
• 5.1 摻Tm~(3+)碲鎢鋅鑭玻璃光纖 2.0 μm波段激光實(shí)驗(yàn)研究101-105
• 5.2 摻Tm~(3+)石英光纖 2.0 μm波段激光實(shí)驗(yàn)研究105-109
• 5.3 摻Tm~(3+)鍺酸鹽光纖 2.0 μm波段激光實(shí)驗(yàn)研究109-116
• 5.4 本章小結(jié)116-118
• 結(jié)論118-119
• 實(shí)驗(yàn)中的不足和尚需進(jìn)一步研究的問題119-120
• 參考文獻(xiàn)120-131
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果131-133
• 致謝133-135
• 附件135

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3 黃建華;陳雨金;林炎富;龔興紅;黃藝東;;Er~(3+)/Yb~(3+):Sr_3Y_2(BO_3)_4晶體的光譜和激光性質(zhì)[J];中國(guó)稀土學(xué)報(bào);2009年02期

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5 ;[J];;年期

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1 劉秀波;;激光快速制造和激光表面處理技術(shù)的最新進(jìn)展[A];北京光電子學(xué)青年學(xué)術(shù)論壇論文集[C];2003年

2 王青;陳磊;吳幀;;激光波前的剪切測(cè)試[A];第九屆全國(guó)光學(xué)測(cè)試學(xué)術(shù)討論會(huì)論文（摘要集）[C];2001年

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4 姚志欣;潘佰良;方本民;陳鋼;陳坤;;溴化鍶激光器實(shí)驗(yàn)研究[A];第五屆全國(guó)光學(xué)前沿問題研討會(huì)論文摘要集[C];2001年

5 夏金安;王又良;張同;楊光中;張偉;崔瑛;朱立汀;;一種連續(xù)輸出100W功率的半導(dǎo)體激光泵浦固體板條激光器[A];中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)2006年學(xué)術(shù)大會(huì)論文摘要集[C];2006年

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1 ;前途無(wú)量的激光高科技[N];科技日?qǐng)?bào);2001年

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