掺铋石英光纤制备新方法及其发光机理与调控研究

The ultra-broad band emission of bismuth-doped silica-based fiber contribute to its wide applications in the field of ultra-broad band amplification, ultra-short pulse fiber laser, and tunable fiber laser.It's a challange for stable and controlble fabrication of bismuth-doped fiber(BDF) due to the low melting point, boiling point and mult-valence of bismuth oxide,these problems also restrict the deep research of emission mechanism and emission control of BDF.This project will focus on these above questions,to explore the new method for fabrication of BDF, study the emission mechanism and emission control.The projec content mainly include: research of various process conditions to control the bismuth consentration and the valence of bismuth in fibers;research of the origin and formation process of emission center for BDF;control method of control the emission band, strength, and energy level lifetime of BDF.Based on the above research, it contribute to explore the novel fabrication process, control the bismuth-doping consentration and valence, understand the mechanism of emission of BDF.This projec will help us to find the key technology for fabrication of BDF, and provie the important fiber material for developing bismuth-doped fiber laser and amplifier for our country.

掺铋石英光纤作为一种新型的特种光纤，具有近300nm的超宽带发光特性，在宽带放大、超短脉冲激光和可调谐激光方面有广泛应用前景。掺铋光纤制备工艺与目前稳定的稀土掺杂制备工艺相比，由于铋氧化物具有低熔点、低沸点以及多价态特性，这对掺铋光纤的稳定、可控制备以及进一步研究光纤特性是一个严峻挑战。本项目针对这些基础问题，在前期的研究基础上，主要开展以下研究内容：通过改变各种制备工艺条件，研究掺铋光纤浓度控制、铋元素化学价态的调控方法和机制；研究掺铋光纤的发光来源和发光中心的形成过程及机理；研究掺铋光纤的发光强度、宽度、能级寿命的调控。本项目的开展将有助于探索、掌握掺铋光纤制备的创新工艺，实现掺铋浓度和化学价态的有效调控，理解掺铋光纤的发光机理，控制掺铋光纤的发光性能，同时也为我国发展掺铋光纤激光器、超短脉冲激光器和超宽带光纤放大器提供核心材料和技术支撑。

掺铋光纤具有广泛的应用前景，但其在发光机理和制备稳定性方面存在问题，制约其进一步发展。本项目主要在以下几方面开展研究并获得进展：（1）制备了铝铋共掺硅酸盐玻璃，发现适量的铝有利于提高掺铋玻璃样品的吸收强度和近红外荧光强度，推断出铋的近红外发光来源于Bi+。（2）制备出了掺铋光纤，实现了1000-1600nm波段的宽带发光，发现有效的热处理可以很好的提高铋的近红外发光强度。（3）对掺铋石英光纤进行γ射线辐照实验，测试研究了掺铋光纤在辐照前和不同剂量辐照后的吸收谱和荧光谱， 辐照后700, 800 nm 处的吸收峰显著增强, 这是由于辐照导致更多Bi近红外活性中心的生成，归因于Bi3+俘获辐射电离产生的电子之后转化为低价态Bi+, 其过程为Bi3++e→Bi2+, Bi2++e→Bi+。（4）利用976 nm光抽运不同剂量辐照后的光纤,低剂量下中心位于1230 nm的荧光谱没有明显变化,验证了掺Bi石英光纤用于太空及辐照环境下光通信的可能性。（5）利用掺铋光纤搭建了单程后向ASE结构，测试并分析光纤长度、泵浦功率的变化与输出光特性参数（如平均波长、输出带宽、光谱功率）的变化关系。通过优化合适的光纤长度及泵浦功率输出光带宽最高可达到460nm，光功率谱密度分布均匀，在超宽带荧光光源方面的应用有着非常大的潜力。