一种用作增益介质的掺铒玻璃光纤及其在光纤激光器中的应用

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，特别涉及一种用作增益介质的掺铒玻璃光纤及其在光纤激光器中的应用。

背景技术

光纤激光器是一种固体激光器，以稀土掺杂玻璃光纤作为增益介质，使得其增益谱比传统块状掺杂晶体的增益谱要宽。其中掺饵光纤激光器是近年来发展快速的光纤激光器之一，它具备了良好的宽波长调谐特性，能够广泛应用于光通信、激光雷达、生物医学、光谱分析等领域。因此受到了广泛的关注和研究。

随着掺饵增益光纤制作技术的进步，掺饵光纤激光器的可调谐输出波段范围不断提高。目前，掺铒光纤激光器主要应用在C+L波段，仅占低损耗第三窗口的一小部分。因此，将激光波长拓展到U波段具有重要的基础研究和实际应用价值。在该波段工作的光纤激光器能够为多普勒测风激光雷达开发出紧凑的光纤装置，并且在工业广泛应用的气体(如甲烷和乙烯)，在该波段显示出指纹吸收，为恶劣环境下化学气体测量提供了前所未有的机会。

目前，能够在U波段工作的增益介质仅限于晶体和半导体。利用掺铒光纤作为增益介质激光波长大于1630nm的光纤激光器尚未报道。近年来，研究人员利用掺铒碲酸盐光纤制备出在1589-1627nm范围内波长可调谐的光纤激光器，但由于碲酸盐玻璃的力学性能较差且不易于与商用石英光纤进行熔接，给实际应用带来了极大的困难。

发明内容

为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种用作增益介质的掺铒玻璃光纤。本发明的玻璃光纤选择Si、Ge、Al、P、La、Y及Er元素进行共掺，提高了Er离子的掺杂浓度，使Er离子分散更为均匀，降低了Er离子的团簇。因此，本发明的光纤具有Er离子掺杂浓度高，发光性能良好，进一步调整Er

本发明的另一个目的在于提供一种掺铒玻璃光纤的应用。所述光纤用作增益材料，用于光纤激光器。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用作增益介质的掺铒玻璃光纤，由纤芯和包层组成，所述纤芯由以下按摩尔百分比计的组分组成：

优选以下按摩尔百分比计的组分组成：

所述纤芯，还包括以下组分：以下含量为摩尔百分比，

Y

Yb

当选用Y

Y

Yb

所述包层为石英玻璃。

当选用Y

Y

优选以下按摩尔百分比计的组分组成：

Y

当不选用Y

用作增益介质的掺铒玻璃光纤通过管棒法或MCVD法制备，优选MCVD法。

所述管棒法，具体包括以下步骤：

(1)纤芯的制备：将原料混合均匀，于1550-1700℃熔融，置于模具中，退火，获得纤芯玻璃；所述原料包括SiO

(2)预制棒的加工：将纤芯玻璃加工成棒状，将纤芯玻璃棒置于管状包层材料中，获得预制棒；所述纤芯玻璃棒的直径小于管状包层材料的内径；所述纤芯玻璃棒的直径为1～3mm；所述纤芯玻璃棒在置于管状包层材料之前进行抛光、酸洗；所述管状包层材料为石英玻璃管；

(3)光纤拉制：将预制棒拉制成光纤。

所述预制棒在光纤拉丝塔进行光纤的拉制；拉制的条件为将预制棒固定于拉丝塔上，并通入氩气进行保护，拉丝温度为1500-1600℃。拉制后光纤的直径为100～130μm；所述光纤的外层涂覆有紫外光固化树脂，涂覆层直径为250μm。

所述MCVD法，具体包括以下步骤：

(1)向石英基底管中通入SiCl

(2)向沉积有缓冲层的石英基底管中通入SiCl

(3)将ErCl

(4)将步骤(3)的石英基底管进行除水，然后高温加热，疏松层玻璃化，形成掺杂芯层；所述高温加热的温度为1900～2000℃；

(5)将含掺杂芯层的石英基底管进行高温烧结，烧结至实心，获得透明实心的预制棒；所述高温烧结的温度为2000℃～2200℃；

(6)将预制棒拉制成光纤。

所述预制棒在光纤拉丝塔进行光纤的拉制；拉制的条件为将预制棒固定于拉丝塔上，并通入氩气进行保护，拉丝温度为1900-2000℃。拉制后光纤的直径为100～130μm；所述光纤的外层涂覆有紫外光固化树脂，涂覆层直径为250μm。

一种掺铒增益玻璃光纤，采用上述方法制备而成。

用作增益介质的掺铒玻璃光纤用于制备光纤激光器。

所述光纤激光器包括泵浦源、增益玻璃光纤、波分复用器、光纤布拉格光栅、反射镜。

所述增益玻璃光纤为上述用作增益介质的掺铒玻璃光纤。

本发明的效果是：在本发明通过对掺杂元素含量的调控，在MCVD法制备预制棒的过程中沉积疏松层，提高了Er

附图说明

图1为实施例1与对比例1的预制棒的对比图；图中预制棒芯层透明对应实施例1，预制棒芯层析晶对应对比例1；

图2为实施例1制备增益光纤端面的光学显微图；

图3为实施例1的多组分玻璃与石英的荧光光谱图；多材料：实施例1制备的掺铒增益玻璃光纤；

图4为利用实施例1所制备增益光纤的光纤激光器激光输出谱；

图5为光纤激光器结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

本实施例提供一种掺铒增益玻璃光纤，其包括纤芯，所述纤芯内的掺杂离子包括Ge

一种多材料玻璃光纤的制备方法，其包括：

(1)在基底管通入的SiCl

(2)在1100℃下通入不同流量SiCl

(3)将ErCl

(4)通过除水操作后高温加热(2000℃)，疏松层玻璃化，形成掺杂芯层；

(5)在2000℃，将含疏松层的石英棒烧结成为透明实心的预制棒；

(6)在光纤拉丝塔进行光纤的拉制，将预制棒固定于拉丝塔上，并通入氩气进行保护，拉丝温度为1900℃，控制拉丝速度，得到光纤直径为125μm，并使用紫外光固化树脂涂覆，涂覆层直径为250μm。

通过EPMA测试，纤芯玻璃的摩尔百分比：

SiO

GeO

Al

P

La

Er

拉制后的光纤进行表征，图2为实施例1制备多材料玻璃光纤端面的光学显微图，可以看出光纤具有明显的芯包结构。图3为实施例1制备多材料玻璃光纤的荧光光谱图，可看出所制备多材料玻璃光纤与石英光纤相比半高宽较宽。图4为利用实施例1所制备增益光纤的光纤激光器激光输出谱，在1610-1630nm范围内可调谐激光输出。

图1为实施例1与对比例1的预制棒的对比图；图中预制棒芯层透明对应实施例1，预制棒芯层析晶对应对比例1。实施例1所制备光纤预制棒无析晶，质量良好，可得到质量良好的光纤；对比例1所制备预制棒芯层析晶，无法拉制成质量良好的光纤。

对比例1

本对比例提供一种掺铒增益玻璃光纤，其包括纤芯，所述纤芯内的掺杂离子包括Ge

一种多材料玻璃光纤的制备方法，其包括：

(1)在基底管通入的SiCl

(2)在1300℃下通入不同流量SiCl

(3)将一定浓度ErCl

(4)通过除水操作后高温加热(温度为2000℃)，至疏松层玻璃化，形成掺杂芯层；

(5)在高温下(温度为2000℃，烧成实心即可)，将含疏松层的石英棒烧结成为实心的预制棒。

所制备光纤预制棒芯层析晶，无法拉制成光纤。

通过EPMA测试，纤芯玻璃的摩尔百分比如下：

SiO

GeO

Al

P

La

Er

对比例2

本对比例提供一种掺铒增益玻璃光纤，其包括纤芯，所述纤芯内的掺杂离子包括Ge

一种多材料玻璃光纤的制备方法，其包括：

(1)在石英基底管通入的SiCl

(2)在1500℃下通入SiCl

(3)将一定浓度ErCl

(4)通过除水操作后高温加热(温度为2000℃)，至疏松层玻璃化，形成掺杂芯层；

(5)在高温下(温度为2000℃，烧成实心管即可)，将含疏松层的石英棒烧结成为实心的预制棒。

沉积温度过高时，所制备光纤预制棒疏松层玻璃化后不均匀，无法拉制成质量良好的光纤。

通过EPMA测试，纤芯玻璃的摩尔百分比如下：

SiO

GeO

Al

P

La

Er

本发明的光纤激光器的结构示意图如图5所示。所述光纤激光器包括泵浦源1、增益玻璃光纤4、波分复用器2、光纤布拉格光栅3、波分复用器5、反射7、波分复用器8；反射镜7、波分复用器5、增益玻璃光纤4、光纤布拉格光栅3、波分复用器2、泵浦源1依次连接，波分复用器2还与波分复用器8连接；波分复用器5的一输出端作为1290-1580nm波长范围的输出端6；波分复用器8的一输出端作为激光输出端9、波分复用器8的另一输出端作为1290-1580nm波长范围激光输出端10。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。