稀土离子掺杂铋酸盐玻璃光纤中红外波段激光性能的研究

Because of the low intrinsic absorption and characteristic absorption lines of atmospheric interested molecules (H2O, CO2, etc.) in mid-infrared region, mid-infrared solid-state laser is an excellent choice for applications in military or civil field, such as laser communication, space communication, environmental monitoring and laser medical system. However, it is difficult to find a proper matrix for mid-infrared laser which has low phonon energy and good optical properties together. So far, the laser output in mid-infrared region was only reported in ZBLAN fiber. Due to the thermal shock resistance, mechanical and chemical properties, ZBLAN fiber has a great limitation in practical application. The oral of this research is to investigate bismuthate glass without and with rare earth ions for mid-infrared laser materials. By adjusting the composition of bismuthate glass, we can get an excellent matrix for mid-infrared region which has good thermal stability, chemical durability, mechanical properties and mid-infrared transmittance. After that, we can determine the concentration of doped rare-earth ions by studying its emission cross-section and lifetime in mid-infrared region. Thus, we can fabricate the core and cladding materials for fiber drawing with double cladding. Based on this study, the output parameters are tested and analyzed until the mid-infrared laser is obtained. The objective of this research is very important for the development of mid-infrared fiber laser materials of our country.

由于极低的理论损耗及多种气体分子的特征吸收，中红外激光材料无论在军事或是民用领域均具有广阔的应用前景，如激光通信、空间探测、环境监测及激光医疗等。然而，中红外光纤激光器对材料的选择是非常苛刻的，如低声子能量、高光学特性等，因此目前国际上仅在氟化物光纤中获得了该波段的激光输出，但由于受抗热冲击性能及机械、化学特性的影响，氟化物光纤的实际应用具有极大的局限性。本项目拟开展铋酸盐玻璃及其稀土离子掺杂光纤中红外波段激光性能的研究。通过玻璃组分的研制与调整，研究玻璃的热学、物化、机械强度、 中红外透过率获得一种综合性能优良的基质玻璃，并通过对稀土离子掺杂浓度、中红外波段发射截面及荧光寿命的研究，获得光纤纤芯和包层玻璃材料。在此基础上，通过光纤拉制获得低损耗的双包层结构光纤，并对光纤的输出特性进行分析，最终获得中红外波段的激光输出。本项目的研究工作将对我国中红外光纤激光材料的发展提供重要的技术支撑。

中红外波段(2-5μm)覆盖着三个主要大气传输窗口（1-3μm、3-5μm、8-14μm）之一，该波段内存在着众多重要气体分子的特征谱线，特别是水分子的特征吸收谱线，且对人眼是极为安全的，因此中红外波段激光器无论在军事或是民用领域均具有广阔的应用前景，如激光通信、空间探测、环境监测及激光医疗等。然而，中红外光纤对材料的选择非常苛刻，如低声子能量、高光学质量等，因此目前国际上仅在氟化物光纤中获得了该波段的激光输出，但由于受抗热冲击性能、化学稳定性等的限制，实际应用较为受限。本项目开展了铋酸盐玻璃及其稀土离子掺杂光纤中红外波段光学性能的研究。通过对组分的调整获得热稳定性好（Tg>400℃）、声子能量低（~400cm-1）、红外透过率高（>80%）的玻璃组分，并对基于85(Bi2O3-GeO2-Ga2O3)-15NaNO3系统进行了三元相图的绘制，结果表明在高Bi-Ge区玻璃的成玻稳定性更好；通过对稀土离子掺杂铋酸盐玻璃中红外波段光谱性能测试表明，Er3+离子掺杂浓度最高可达3%mol，此时获得较强的2.7μm发光，Yb3+离子通过提高对泵浦光的吸收效率增强Er3+离子2.7μm发光，Pr3+离子通过降低Er3+：4I13/2能级寿命增强Er3+离子2.7μm发光，Yb3+、Pr3+离子对Er3+离子2.7μm发光的增强效果均较为明显，而Tm3+、Ho3+、Nd3+和Ce4+离子对Er3+离子2.7μm发光的增强效果较弱；制备了1mol%Er3+掺杂铋酸盐玻璃光纤预制棒并进行了光纤的拉制，获得纤芯直径为85μm、外径为420μm的单包层光纤，并利用Cosmol软件进行传输模式分析，结果表明在该光纤中光束集中在界面处两点，均匀性差。本项目开创了一种新型热稳定性好、环境适宜性好的可工作于中红外波段的光纤材料，并实现了光纤的制备，该研究工作为为中红外光纤激光材料的应用提供了一种新的选择，对光纤材料在中红外波段的实际应用具有一定的推动作用。