基于纳米多孔石英玻璃的有源多芯微结构光纤制备与激光性能研究

Rare earth ion heavily doped large mode area silica multi-core microstructured fiber, due to its high optical gain per unit length, weak nonlinear effects, and excellent mode quality, which has unique applications in the fiber lasers. However, clustering of rare earth ions in the quartz glass as well as smaller fiber core size limits the development of such optical fibers and corresponding fiber lasers. This proposal aims to nano-porous silica glass with large size. The large mode area multi-core microstructured fibers based on the glasses will be prepared and the laser performance of the fibers will be studied. The main research contents in this field include: study on the dependence of clustering of rare earth ions on the factors such as nano-pore distribution of porous glass, size, shape and other multi-coupling parameters; analysis of the mechanisms of promotion or limitation clustering of rare earth ions by codoping of aluminum ions, phosphate ions and other codopants; revealing the energy transfer dynamic processes between rare earth ions or heteronuclear clusters; exploration of the preparation method of large mode area multi-core microstructured fibers with core material as nano-porous silica; study on the spectroscopic properties and laser characteristics of the multi-core microstructured fiber. Based on the above research, it will be beneficial to reveal the cluster mechanism of rare earth ions in the quartz glass, to open up new routes for the large mode area active multi-core microstructured fiber, to provide critical materials for related fiber lasers.

高浓度稀土离子掺杂的石英基大模场多芯微结构光纤，由于其单位长度增益高、非线性效应小以及模式质量优异，从而在光纤激光器中具有独特应用价值。然而，石英玻璃基质中稀土离子的团簇问题、以及光纤纤芯尺寸自由度低等问题限制了这类光纤及相关激光器件的发展。本项目采用大尺寸纳米多孔石英玻璃作为稀土离子载体，制备基于这种玻璃的大模场多芯微结构光纤并研究其激光性能。具体内容包括：研究多孔玻璃纳米孔分布、尺寸、形貌等多耦合参数对稀土离子团簇的影响；分析诸如铝离子、磷离子等共掺离子对稀土离子团簇的促进或抑制机理；揭示多孔玻璃中异核稀土离子或团簇之间的能量传递动力学过程；探索稀土离子掺杂纳米多孔石英玻璃为纤芯的多芯微结构光纤制备技术；研究该多芯微结构光纤的光谱性质和激光特性。基于上述研究，将有助于揭示石英玻璃基质中稀土离子团簇控制机理，为大模场有源多芯微结构光纤开辟新的技术路线，并为相关光纤激光器提供核心材料。

石英玻璃光纤的制备技术以及稀土离子在石英玻璃中的浓度淬灭效应一直限制着大模场石英玻璃光纤的发展。项目主要瞄准大模场石英玻璃有源光纤制备和稀土离子浓度淬灭的难题，采用纳米多孔石英玻璃技术创造性地解决了上述难题。主要研究内容如下：系统研究了多孔玻璃中杂质离子集居状态、价态控制手段及团簇抑制机制和方法；系统研究烧结后的多孔玻璃中羟基等杂质、以及玻璃基质基团声子能量对稀土离子发光性能的影响；研究了共掺剂如碱金属离子、碱土金属离子、铝离子及磷离子等对稀土离子团簇的调控作用；研究了纳米多孔石英玻璃烧结后折射率变化规律和调整手段；研究呢石英玻璃为芯棒的多芯微结构光纤预制棒制备工艺；研究了稀土离子掺杂多芯微结构光纤的的激光特性。.项目取得的重要结果如下：项目探索出稳定的纳米多孔石英玻璃的制备方法，实现了稳定的硼硅酸盐玻璃棒制备方法，掌握了玻璃分相的原理和方法，掌握了酸浸析的方法，掌握了溶液掺杂技术，掌握了纳米多孔石英玻璃除羟基的方法。基于以上结果，系统性地掌握了基于纳米多孔石英玻璃的各种光纤的制备技术，其中包括30/400的双包层光纤，80/400的双包层光纤，光子晶体光纤，稀土离子包括镱离子和铥离子这两种有代表性的元素。光纤中Yb3+离子浓度可以达到 50000ppm（wt%）而不见团簇，项目演示了基于这些种类的光纤的激光性能，纤芯为80微米的光纤具有高达80%的激光斜率效率，输出功率超过600瓦而不见衰减，研究结果显示，这些光纤具有优异的激光性能。.基于本项目的研究，该项目将为大模场有源光纤提供新的技术路径，并可以为高功率光纤激光提供新的核心光纤材料，为打破国外大模场有源光纤方面对我国的技术封锁做出贡献。