Yb3+掺杂氟磷酸盐玻璃单频激光光纤的研究

单频激光具有线宽超窄、频率可调、相干长度超长、噪声超低等独特性能，因而在军事与民用上都有强烈需求。然而单频激光的超短线性腔缺乏高增益的单频玻璃短光纤。本研究在掺镱氟磷玻璃具有Yb3+高掺杂、高效率、高功率激光输出特点及原有的研究基础上，首先针对单频超短线性腔要求设计具有高增益、高Yb3+掺杂能力并满足短光纤吸收强度条件的掺镱氟磷玻璃组分；进而优化组分获取具有低F-挥发性和经反复软化无析晶的氟磷玻璃，从而满足双包层光纤软化点附近两次拉伸对玻璃析晶稳定性、热力学稳定性、F-挥发条纹和降低光纤损耗的要求；根据氟磷双包层和磷酸盐双包层方案对两种包层设计进行数值孔径的可匹配极限计算，根据折射率、转变温度、软化温度、膨胀系数等关键因素的匹配进行两类双包层组分的研究，着重解决氟磷与磷酸盐异质光纤匹配中存在的一系列实施难点问题，并为其它波段的单频短光纤和异质光纤的研究积累经验，故此具有研究价值和实用价值。

超短线性腔单频激光仍缺乏高增益的单模玻璃短光纤。本研究在掺镱氟磷玻璃具有Yb3+高掺杂、高效率、高功率激光输出特点及原有的研究基础上，研发具有高增益、高Yb3+掺杂能力并满足短光纤吸收强度条件的掺镱氟磷玻璃组分；进而优化组分获取具有低F-挥发性和经反复软化无析晶的氟磷玻璃，从而满足双包层光纤软化点附近两次拉伸对玻璃析晶稳定性、热力学稳定性、F-挥发条纹和降低光纤损耗的要求；根据氟磷双包层和磷酸盐双包层方案对两种包层设计不断调整合适的数值孔径，根据折射率、转变温度、软化温度、膨胀系数等关键因素的匹配进行两类双包层组分的研究，着重解决氟磷与磷酸盐异质光纤玻璃匹配中存在的一系列实施难点问题。国基金的支持使课题组积累了大量的研究数据，取得了重要的研究成果：成功研发了氟磷-磷酸盐异质光纤,非熔接条件下实现了多模1.6w，单模100mw的激光输出;成功研究出高掺杂(5~8*E20 ions/cm3),高截面(0.68-0.97pm2),高寿命(1.7-2.3ms),高强度(杨氏模量73MPa)和高热稳定性(Tg=460-490℃)的掺镱氟磷玻璃；成功设计出可以与短料性、高膨胀氟磷玻璃完全匹配的磷酸盐包层玻璃；成功解决了祛除氟磷玻璃亚表面缺陷的难题(高氯酸+KOH分步处理法)；成功使用堆垛法制备低损耗异型双包层光纤(3-4dB/m)；成功的将棒管与堆垛有机结合起来以降低光纤预制棒的制备难度及损耗（1-2dB/m）；研究发现常规多组分玻璃光纤设计方法对氟磷-磷酸盐异质光纤不适用，该异质光纤芯包玻璃的热学性质设计要与常规光纤完全相反才可成功拉制出高质量光纤；积累了氟磷-磷酸盐异质光纤的设计参数、设计依据及光纤拉制的一系列工艺参数控制范围；对掺镱玻璃Stark分裂进行了详细研究；从理论和实验对比上给出了掺镱氟磷与磷酸盐玻璃激光输出存在巨大差异的原因；成功改性了传统掺镱磷酸盐玻璃低Stark分裂(600cm-1)问题，将其提高到815cm-1，可极大缓解激光运行时激光系统下能级热拥塞问题，同时玻璃的关键光谱性质和热学性质都得到了很大改善(1mm厚荧光寿命2.2ms，Tg=593℃，膨胀系数=9.54E-6/k)，其中试工艺参数已全部确定，使掺镱磷酸盐玻璃克服了致命缺点, 其不仅是更优秀的高掺镱单模短光纤材料，且由于其可实现大尺寸高光均制备，还可以作为高能掺镱激光装置优秀的增益介质。