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高功率中红外波段光纤激光器最新进展及未来趋势

2013-05-23 10:06
科技潮人
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  2. 基质材料

  光程长度较长的光纤激光器意味着制作光纤要低金属离子掺杂量、低散射损耗、较大的赫鲁比(Hruby)参数以及较低的最大声子能量。氟化物玻璃光纤激光器在2.3~3.5μm波段具有较高的效率和输出功率。然而,波长超过3.5μm,能够满足光纤传输和稀土离子跃迁辐射所需低声子能量的材质非常少。单掺Ho3+氟化物光纤激光器在低温下产生3.9μm波段激光,是目前输出的最长波长。

  硅酸盐玻璃仍然是最成功的光纤基质材料。近乎500MW·cm-2的高损失阈值和高掺杂纯度,确保了稳定的高功率输出。硅酸盐玻璃熔点高,热扩散系数相对较低,抗张强度大,折射率低以及非线性系数低。由于纤芯激活区光纤长度较长、光强较大,所以存在大量拉曼散射效应。硅酸盐玻璃中含有较强的共价键原子,这些原子形成一个包含大量价键长度和价键角度的无序矩阵。二氧化硅维持最大的声子能量达到100cm-1,这一点限制了激发光波波长的上限。由于附加的掺杂物使光纤的附加折射率各向异性,瑞利散射损耗也在增加。从掺Tm3+离子和Ho3+离子的硅酸盐光纤可以输出2μm辐射光,最长的激光波长现在达到2.188μm。

  在氟化物玻璃中,一个最成功组分比例是ZBLAN65,其中包含53mol%的ZrF4,20mol%的BaF2,4mol%的LaF3,3mol%的ALF3和20mol%的NaF。ZBLAN的成分随着相应的特性有所变化:氟化物光纤的性能是通过铸造法来实现的,冷却过程中存在的结晶化会产生多个散射中心,限制了光纤的整体性能和可用光纤的长度。几何缺陷也会引起散射。减少ZBLAN的铸造过程可以消除气泡,如果经过无水氟化物处理过程,光纤损耗变小:在2.59μm波段损耗0.65dB·km-1,在2.9μm波段(这就是在ZBLAN中O-H杂质弹性振动的位置68)损耗值小于20dB·km-1。

  ZBLAN的最大声子能量大约是565 km-1,则能带大于2.825cm-1(即λ<3.5μm)的稀土离子跃迁在室温下发生也可以产生荧光辐射。ZBLAN具有较低的光色散度, 1.49的低折射率,并且在0.2~4.5μm的波段范围内有宽广的通信窗口(这里定义为衰减小于200 dB·km-1)。相比硅酸盐玻璃,ZBLAN较低的声子最大能量值与较弱的价键强度相关;相比普通玻璃,与原子群较大的折算质量相关。在波段2.8μm、10ms脉冲宽度的ZBLAN光纤损失阈值大约是25MW·cm-2,相比硅酸盐玻璃,限制峰值功率。然而,因为拉曼增益系数相对较小,所以在制作过程中不会考虑。基于ZBLAN的光纤激光器最大输出功率在2.7μm波段达到24W,在1.94μm波段20W的数量值,还可以再提高。

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