【摘 要】
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2.0μm波段光纤激光在激光雷达、激光医疗、激光测距、激光遥感和光谱学等军事和民用领域具有巨大的应用价值。高增益的掺铥(Tm3+)玻璃光纤是构建高性能的2.0μm波段光纤激光器的核心材料,而在激光玻璃中实现高浓度的Tm3+掺杂是研制高增益的掺Tm3+玻璃光纤的前提。纯石英玻璃存在固有的分相区,导致其Tm3+的掺杂浓度较低（≤2wt.%）。而多组分氧化物玻璃具有高的稀土离子溶解度,成为高增益玻璃光纤
【基金项目】
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广东省科技计划项目重点领域研发计划（2018B090904001）,工业化大功率光纤激光器研发与应用示范; 广州市重点领域研发计划项目-新材料重大科技专项（202007020005）,激光显示用高性能稀土发光材料设计及规模化制备关键技术与应用; 广东省“珠江人才计划”本土创新研究团队（2017BT01X137）,有源玻璃光纤与器件; 国家自然科学基金青年基金（62005080）,2μm波段高增益和
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2.0μm波段光纤激光在激光雷达、激光医疗、激光测距、激光遥感和光谱学等军事和民用领域具有巨大的应用价值。高增益的掺铥(Tm3+)玻璃光纤是构建高性能的2.0μm波段光纤激光器的核心材料,而在激光玻璃中实现高浓度的Tm3+掺杂是研制高增益的掺Tm3+玻璃光纤的前提。纯石英玻璃存在固有的分相区,导致其Tm3+的掺杂浓度较低（≤2wt.%）。而多组分氧化物玻璃具有高的稀土离子溶解度,成为高增益玻璃光纤理想的基质材料。其中,多组分锗酸盐玻璃（Ba O-Ga2O3-Ge O2体系）兼具优异的光学性质和优良的物化性能,成为综合优势最突出的2.0μm波段增益光纤的基质材料。但是,多组分锗酸盐玻璃光纤中Tm3+的掺杂浓度仍较低,导致其增益系数较低,进而限制了高性能的2.0μm波段光纤激光器的发展。本文通过优化锗酸盐玻璃的组分,调整玻璃的网络结构,提高多组分锗酸盐玻璃中Tm3+的掺杂浓度,优化多组分锗酸盐玻璃熔制和光纤制备技术与工艺,制备出高掺Tm3+多组分锗酸盐玻璃单模光纤,具体的研究内容和成果如下:（1）研究了三价稀土金属氧化物Ln2O3（Ln=La,Y,Lu,Sc）以及Nb2O5对掺Tm3+多组分锗酸盐玻璃结构和光谱性能的影响,通过调控玻璃网络结构的自由度,提高Tm3+在玻璃基质中的分散性和溶解度,进而增强其2.0μm波段荧光发射。Tm3+的掺杂浓度达到5 mol.%(9.8×1020 ions/cm~3),为目前已报道的掺Tm3+玻璃和光纤中最高。（2）在高掺Tm3+多组分锗酸盐玻璃中共掺Ho3+,探索了其在2.0μm波段宽带发光性能,通过优化玻璃组成,2.0μm波段荧光发射的半高宽达到了384 nm,表明Tm3+/Ho3+共掺的多组分锗酸盐玻璃可用于制备同时具有高增益和超宽带特性的2.0μm波段增益光纤。（3）通过优化多组分锗酸盐玻璃的除水技术和熔制工艺,研制出低羟基含量(OH-吸收系数低至0.09 cm-1)的大块高掺Tm3+多组分锗酸盐激光玻璃,其在2.0μm波段的最大增益系数为6.31 cm-1。设计并制备出与纤芯玻璃物化性能相匹配的大块多组分锗酸盐包层玻璃,依据单模光纤要求,设计了光纤预制棒尺寸,并优化拉丝技术与工艺,制备出高掺Tm3+多组分锗酸盐玻璃单模光纤,有望为2.0μm波段光纤激光器提供核心材料。
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