【摘 要】
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1.5μm波段激光处于大气近红外窗口,具有较低的传输损耗,且具有较高的水吸收系数,属于“人眼安全波段”,因此在光通讯、军事等领域具有极大的应用前景。Er3+/Yb3+共掺激光玻
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1.5μm波段激光处于大气近红外窗口,具有较低的传输损耗,且具有较高的水吸收系数,属于“人眼安全波段”,因此在光通讯、军事等领域具有极大的应用前景。Er3+/Yb3+共掺激光玻璃被广泛用于1.5μm波段激光的产生。随着激光器件的发展,系统对Er3+/Yb3+共掺玻璃的性能提高出了更高的要求。不同的应用领域对Er3+/Yb3+共掺玻璃提出了不同的性能指标要求,小型激光系统要求相对较高的器件集成度,因此需要高吸收、高增益的增益介质,即要求玻璃基质中的稀土离子掺杂浓度要尽可能的高;工程应用中通常要求激光系统具有相对较高的稳定性和环境适应性,作为增益介质的Er3+/Yb3+共掺玻璃则必须具有优异的热稳定性和化学稳定性。本论文针对两种不同的实际应用需求,分别采用两种方法制备了两种不同玻璃基质的Er3+/Yb3+共掺激光玻璃。第一,对于小型激光系统的增益介质,我们选取超磷酸盐玻璃作为稀土离子掺杂的玻璃基质,使用高温熔融法制备了Er3+/Yb3+共掺超磷酸盐玻璃并拉制光纤。与一般的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐玻璃相比,超磷酸盐玻璃具有极大的稀土离子溶解度,能进一步提高Er3+/Yb3+共掺激光玻璃的增益系数,更好的实现器件的微型化和高集成度。第二,对于工程应用类激光器的增益介质,我们采用3D打印光固化技术在较低温度下(1050℃)制备了Er3+/Yb3+共掺磷硅酸盐玻璃,使玻璃具有优异的化学稳定性和热稳定性。石英玻璃中引入少量磷元素,可以在保证玻璃稳定性的同时适当提高稀土离子掺杂浓度。与现有已广泛应用的改进的化学气相沉积(MCVD)技术相比,3D打印光固化技术显著地降低了玻璃的制备温度,避免了复杂的制备工艺和大型设备的使用。本论文的研究内容包括:(1)采用高温熔融法制备了Er3+/Yb3+共掺超磷酸盐玻璃,Er3+/Yb3+的掺杂浓度(NEr3+/NYb3+)最高分别可达2.52×1020/cm3、1.26×1021/cm3,测得该玻璃的密度3.526 g/cm3,转变温度Tg为467℃,玻璃在976 nm处的吸收系数达到1.58d B/mm。玻璃在40%HF中的侵蚀速度为1.043 cm/h。我们设计并制备了未掺杂Er3+/Yb3+的超磷酸盐玻璃作为光纤的包层材料,分别拉制了Er3+/Yb3+摩尔比为1:5和1:3的单包层Er3+/Yb3+共掺超磷酸盐玻璃光纤,包层直径300μm,芯径1μm~200μm不等,光纤数值孔径(NA)分别为0.065和0.117。荧光性能测试表明,光纤在1.5μm处有较宽的荧光发射,其中心波长1538.5 nm,3 d B线宽32.8 nm,荧光寿命4.032 ms。(2)采用3D打印光固化技术,在较低温度下(1050℃)制备了Er3+/Yb3+共掺磷硅酸盐玻璃。打印前躯体是用溶胶-凝胶(Sol-Gel)法制备的Er3+/Yb3+掺杂的溶胶,经过紫外光固化及后期热处理过程后,得到致密、透明的无定型Er3+/Yb3+共掺磷硅酸盐玻璃。能谱仪元素分析结果表明,该玻璃中各元素分布均匀。玻璃表面光滑,孔隙率为0.96%。样品在整个可见光波段具有较好的透过率,在976 nm处吸收系数达49.58 d B/m。荧光测试表明,该Er3+/Yb3+共掺磷硅酸盐玻璃在1.5μm处有较宽的荧光发射谱,中心波长1537.6 nm,荧光寿命1.29 ms。
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