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掺镱光纤激光器光子暗化现象的研究进展

2016-06-23 09:44
瑾年Invader
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  1 引  言

  掺镱光纤激光器以其稳定性高、光束质量好、斜率效率高等显著优势,受到了广泛关注,得到了飞速发展,成为激光器产业中的主导力量,并已在工业、医疗、军事等领域获得重要应用。近年来,掺镱光纤激光器输出功率已达到万瓦量级,然而随着高功率激光器运行时间的增加,会出现由于光纤损耗增大而导致的输出功率减小的现象,即光子暗化现象(Photodarkening,PD),导致激光阈值增加,系统稳定性降低,工作寿命变短,限制了掺镱光纤激光器的进一步发展。因此,掺镱光纤光子暗化现象的研究对掺镱光纤激光器的发展具有重要意义。

  近年来国外研究人员报道了大量关于光子暗化现象的研究,而国内的研究相对较少,仅中科院安徽光学精密机械研究所、华中科技大学、国防科技大学等单位曾有过相关报道。本文首先全面介绍了掺镱光纤光子暗化现象的产生机理,然后介绍了光子暗化现象对掺镱光纤激光器产生的影响,最后着重介绍了掺镱光纤光子暗化现象的抑制方法,为掺镱光纤激光器实现低光子暗化工作提供了有效途径。

  2 光子暗化现象的研究进展

  2.1光子暗化现象的产生机理

  1997年英国南安普顿大学Paschotta等在泵浦掺镱光纤(YDF)时,发现当泵浦波长接近976nm,其荧光输出和光纤中的剩余泵浦光急剧下降,当泵浦波长为976nm时,并没有观测到激光输出。经过研究发现,这是由于一部分镱离子的激发态寿命发生猝灭,导致泵浦光的不饱和吸收,从而影响了激光器的性能,推测认为该猝灭由光纤中某些杂质或缺陷引起,这是首次在YDF中发现光子暗化现象。近年来,掺镱光纤激光器光子暗化现象已经成为了国际上的一个研究热点,虽然人们普遍认为由于色心引起了光子暗化现象,但是色心的产生机理仍没有一致的看法,目前主要有三种观点:氧缺陷中心(oxygen deficiency centers,ODCs)、电荷转移吸收带(charge transfer,CT)和Tm3+的影响。

  2.1.1 氧缺陷中心

  在掺镱光纤中能引起光子暗化现象的缺陷主要有镱离子对氧空位缺陷(Yb-Yb ODC)、镱铝氧空位缺陷(Yb-Al ODC)、非桥氧空位中心(non-bridging oxygen hole center,NBOHC)、铝氧空位中心(Al-oxygen hole center,Al-OHC)、二类氧空位缺陷(ODCII)等。

  2007 年,Yoo 等发现掺镱光纤在 220nm 附近有一个吸收峰,认为是和 Yb 相关的,Yb离子很容易捕获Al四面体周围的氧空穴,但Yb离子过多时,氧空穴不足,会导致形成 Yb-Al或Yb-Yb等的错位化学键,根据锗硅酸盐玻璃中 Ge–Ge 和 Ge–Si 化学键是由于氧缺陷导致的,此处也认为是由于氧缺陷。当488nm光辐照时,ODCs的吸收峰值在220nm,可以产生双光子吸收,进而释放出自由电子,并被Yb、Al吸收,形成色心,导致了光子暗化现象。

  2008年,Dragic等采用532nm激光激发掺Yb光纤,观察NBOHC的发射光谱,发现高掺Ge和掺P都会使NBOHC的辐射光谱红移,高掺Al使NBOHC的辐射光谱与纯硅时相同。NBOHC可能会引起上转换过程,从而产生光子暗化现象。2009年,Arai等通过电子自旋共振测试,得出伽马射线辐照以及 976nm 光泵浦Yb/Al 光纤都能产生Al-OHC。随后他又考虑透光率测量的结果,得出在Yb/Al共掺玻璃中,共掺Al虽能阻止Yb聚集,从而抑制光暗化,但是掺Al会产生Al-OHC,而光暗化引起的附加损耗主要是Al-OHC吸收引起的。2012年Dragic 等采用波长248nm 的光子激发掺 Yb 光纤,图1 为实验得到的掺 Yb 光纤的荧光谱。其中ODCII 有两种结构,一种结构荧光峰值288nm(E=4.3eV),另一种荧光峰值444nm(E=2.8eV)。在Yb3+的吸收峰值976nm也观察到荧光峰值,说明ODCII和Yb3+之间存在能量转换。

图 1 掺Yb 光纤荧光谱

  2.1.2 电荷转移吸收带

  2007年,Engholm 等采用紫外光(UV)激发Yb/Al玻璃,观察到可见光(VIS)波段的发光谱,以及Yb3+在红外光(IR)波段的发光谱,认为VIS波段的发光谱是由于Yb2+的5d–4f 发射,图2(b)为这一过程的构型图,而IR 波段的发光认为是由于CT 过程,下图2(a)为Yb3+CT 过程的构型坐标图。Yb3+被激发到CT 带形成Yb2+和与 Yb 离子绑定的空穴,然后通过非辐射弛豫过程达到一个平衡态 R’态,可发射1μm荧光。如果激发到CT带后能再进一步激发到更高的CT带,就会形成自由空穴,导致色心的形成,在VIS和近红外(NIR)波段引入附加损耗。2008 年,Engholm 等观察到铝硅酸盐玻璃在 230nm附近有一个与色心产生有关的CT 吸收带,UV 光照射 Yb/Al 预制棒激发到CT 吸收带产生色心,而915nm泵浦掺Yb光纤激光器时能够产生与之相同的色心。因此,认为在高功率掺 Yb光纤激光器中,CT 吸收带引起了光子暗化现象。针对 Yoo 等提出的光子暗化现象是ODCs在230nm附近的双光子吸收引起的这一假设,Engholm认为由于稀土离子具有相似的化学性质,那么 Nd/Er掺杂光纤也应该存在由于ODCs 而引起的 230nm 吸收带,但实验中均未观测到,因此这个吸收带和ODCs 没有关系,而是电荷转移吸收带。Yoo又提出激发电子到CT 吸收带时,会产生 1μm 左右的发光,即 Yb2+与空穴的再结合重新形成了Yb3+,因此该过程是Yb2+→Yb3+,即漂白光暗化过程。2013 年,Rydberg 等实验验证了采用 210nm 光辐射Yb/Al预制棒和采用NIR光泵浦Yb/Al光纤都能通过CT 过程产生Yb2+,证明了Yb 的价态不稳定性对产生光子暗化现象具有非常重要的作用。

图 2 (a)Yb3+ CT 过程的构型坐标图;(b)Yb2+构型坐标图

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