掺Ho3+氟化物玻璃光纤的制备及其在2.9μm光纤激光器中的应用研究

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波长位于2.9μm波段的激光器由于其在光谱学、医疗、环境监测等领域的重要应用而受到广泛的关注。当前,基于玻璃或者玻璃光纤的2.9μm激光都是在ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)玻璃或光纤中实现的,但是ZBLAN玻璃容易与环境中的水发生反应引起潮解,这在一定程度上限制了ZBLAN光纤器件的应用。因此,为了进一步提高2.9μm光纤激光器的性能,探索和制备出具有低声子能量、良好化学稳定性和热稳定性的新型中红外玻璃光纤,并研究其在2.9μm光纤激光器方面的应用具有非常重要的意义。在攻读博士学位期间,作者围绕具有低声子能量、良好抗潮解性能的氟化物玻璃材料、掺Ho3+氟化物玻璃光纤的设计和制备以及掺Ho3+氟化物玻璃光纤在2.9μm光纤激光器方面的应用进行了系统的研究,取得了以下研究结果:(1)在目前已报道的氟化物玻璃中,氟化锌基玻璃具有较低的声子能量(420cm-1),是潜在的可应用于中红外波段激光器的玻璃材料。基于ZnF2-BaF2-SrF2-YF3(ZBSY)玻璃体系,我们率先制备出了掺Ho3+的ZBSY玻璃,该玻璃的透过窗口覆盖0.312.8μm。在1120 nm激光激发下,我们在Ho3+离子掺杂的ZBSY玻璃中观察到了高效的2.9μm发光,与其他氟化物玻璃相比,其2.9μm荧光的发射截面具有较大的半高全宽(124 nm)。在相同的激发功率密度下,Ho3+离子掺杂的氟化锌基玻璃的2.9μm发光比Ho3+离子掺杂的氟化铝基、氟化锆基和氟化铟基玻璃的发光都强。(2)通过优化组分我们制备出了具有低声子能量(507 cm-1)和较好抗析晶性能的氟化铟基玻璃,其组分为InF3-ZnF2-GaF3-BaF2-SrF2-YF3-LiF-NaF-PbF2,该玻璃的透过窗口覆盖0.310μm。我们首次利用棒管法制备出了掺Ho3+的氟化铟基玻璃光纤,并利用1120 nm光纤激光器作为泵浦源,在掺Ho3+的氟化铟基玻璃光纤中实现了波长为2875 nm的中红外激光输出,其最大未饱和输出功率为54.5 mW,对应的斜率效率为6%。(3)通过对AlF3-BaF2-YF3-PbF2-MgF2-CaF2体系的氟化铝基玻璃进行系统的研究,我们探索出了具有良好抗潮解性能和较高玻璃转变温度(380 oC)的氟化铝基玻璃。我们首次制备出了掺Ho3+的氟化铝基玻璃光纤,并利用其作为增益介质以及1120 nm光纤激光器作为泵浦源实现了2868 nm激光输出,其阈值泵浦功率为140 mW,最大未饱和输出功率为57 mW,对应的斜率效率为5.1%。
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