CN101414025A - 发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种发射波长为1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，包括纤芯和包层，该光纤的纤芯材料为锗酸盐玻璃，所述纤芯玻璃掺杂有稀土离子，所掺杂的稀土离子及其掺杂方式为：单掺Tm³⁺，或单掺Ho³⁺，或Tm³⁺/Ho³⁺共掺，或Tm³⁺/Yb³⁺共掺，或Ho³⁺/Yb³⁺共掺，或Tm³⁺/Ho³⁺/Yb³⁺三掺。光纤的结构是单包层光纤、双包层光纤或光子晶体光纤。该光纤的优点是：具有较高的稀土离子掺杂浓度、较好的机械性能和化学稳定性、较高的增益，在一定波长泵浦光的激发下发出1.5～2.2μm的光，可用于制作1.5～2.2μm的光纤激光器，或用于制作1.5～2.2μm的光纤放大器。

Description

发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤

技术领域

本发明涉及光纤，具体涉及到一种在一定波长泵浦光激发下可获得1.5～2.2μm发光的锗酸盐玻璃光纤。

背景技术

光纤激光器具有体积小、光束质量高、能量转换效率高、便于集成的优点，现已成为固体激光器的主要研究方向。输出波长处于1.5～2.2μm波段的激光属于人眼安全激光，在激光测距、卫星遥感、示踪气体跟踪、材料加工、军事科研和外科手术等领域有着广泛的应用前景。另外，1.5～2.2μm的光纤有望用作未来超低损耗远程通信的光纤放大器。所以，近年来1.5～2.2μm发光的玻璃光纤材料已成为研究的热点。

目前，研究较多的1.5～2.2μm发光的玻璃光纤的基体材料主要有石英玻璃、碲酸盐玻璃、氟化物玻璃以及锗酸盐玻璃。石英玻璃较高的声子能量(～1100cm^-1)、较低的稀土离子掺杂能力(<1000ppm)使得光纤激光器的量子效率和斜率效率不高，不利于从单根光纤中获得大功率的激光输出；碲酸盐玻璃虽然具有较高的稀土离子掺杂能力、相对较低的最大声子能量(～800cm^-1)，但碲酸盐玻璃较低的激光损伤阈值和相对较差的化学稳定性限制了其应用；氟化物玻璃的声子能量较低(～500cm^-1)、激光器的量子效率较高，但氟化物玻璃的化学稳定性和玻璃拉丝性能差的缺点限制了其使用。

锗酸盐玻璃具有良好的机械性能、化学稳定性、较好的稀土离子掺杂能力、相对较低的最大声子能量、良好的拉丝性能。因此，近年来以锗酸盐玻璃为基体材料的光纤激光器已成为研究的热点。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，可用于制备输出波长处于1.5～2.2μm波段的光纤激光器，或用于制备未来超低损耗远程通信用的输出波长范围为1.5～2.2μm的光纤放大器。

本发明为解决上述问题所采用的而技术方案为：一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其纤芯玻璃组分包括：

GeO₂                 40～90mol％；

PbO                  0～25mol％；

BaO或CaO             0～20mol％；

Ga₂O₃                    5～30mol％；

La₂O₃或In₂O₃或Y₂O₃或Al₂O₃  1～10mol％；

Li₂O或Na₂O或K₂O           0～10mol％；

所述纤芯玻璃掺杂有稀土离子，所掺杂的稀土离子及其掺杂方式为：单掺Tm³⁺，或单掺Ho³⁺，或Tm³⁺/Ho³⁺共掺，或Tm³⁺/Yb³⁺共掺，或Ho³⁺/Yb³⁺共掺，或Tm³⁺/Ho³⁺/Yb³⁺三掺；稀土离子采用在玻璃配方不变的基础上外加的方法。稀土离子相对于所述纤芯玻璃组分总量的掺杂浓度范围为0.2～4mol％。所掺杂的稀土离子由氧化物、氟化物或氯化物引入。

上述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，所述光纤为单包层光纤或双包层光纤或光子晶体光纤。

上述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，所述双包层光纤内包层的横截面为圆形、椭圆形、方形、D形或梅花形。

上述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，所述当光纤的包层端面为圆形时，纤芯位于包层的中心或偏离包层中心。

上述配方中涉及的Ba/Ca，La/In/Y/Al以及Pb元素的氧化物也可以用该元素相应的氟化物或氯化物部分或全部取代，BaO/CaO以Ba²⁺/Ca²⁺的碳酸盐或硝酸盐引入。

为了获得1.5～2.2μm的发光，纤芯玻璃中可掺杂的稀土离子及其掺杂方式包括：单掺Tm³⁺，或单掺Ho³⁺，或Tm³⁺/Ho³⁺共掺，或Tm³⁺/Yb³⁺共掺，或Ho³⁺/Yb³⁺共掺，或Tm³⁺/Ho³⁺/Yb³⁺三掺。稀土离子既可采用氧化物引入，也可采用氟化物或氯化物引入。

本发明所涉及的一种在一定波长泵浦光激发下能获得1.5～2.2μm发光的锗酸盐玻璃光纤，其纤芯材料为稀土离子掺杂的锗酸盐玻璃；光纤的结构可为单包层光纤，或双包层光纤，或光子晶体光纤。其制备方法为：首先熔制稀土离子掺杂的锗酸盐玻璃；随后测定所制备锗酸盐玻璃的相关性能参数(包括玻璃转变温度Tg，玻璃析晶开始温度Tx以及玻璃在一定波长下的折射率)，根据所获得参数寻求性能相匹配的包层玻璃；通过管棒、浇注等光纤预制棒的制作方法，制作出内包层横截面为圆形，或椭圆型，或方形，或D型，或梅花形的光纤预制棒，最后在拉丝塔上拉制出光纤。

本发明提供的光纤具有如下优点：

1、较高的稀土离子掺杂能力：由于加入了Ga₂O₃、La₂O₃或In₂O₃或Y₂O₃或Al₂O₃等组份，而Ga³⁺，La³⁺或Ln³⁺或Y³⁺或Al³⁺均为三价金属离子，这些离子与Er³⁺，Yb³⁺、Pr³⁺，Tm³⁺，Ho³⁺，Tb³⁺，Nd³⁺等稀土离子的结构具有相似性，使得光纤的稀土离子掺杂浓度范围宽：0.2～4.0mol％；较高的稀土离子掺杂能力有利于制备大功率、高量子效率的光纤激光器。

2、较好的机械性能：由于玻璃组分中的Ga₂O₃、GeO₂均为玻璃形成体，并且锗酸盐玻璃具有仅次于石英和硅酸盐玻璃的机械性能，使得光纤的机械性能远好于磷酸盐玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤以及氟化物玻璃光纤(磷酸盐玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤以及氟化物玻璃光纤机械性能差，很容易折断)。

3、较强的化学稳定性和环境适应性：由于玻璃组分中的Ga₂O₃、GeO₂均为重金属氧化物，而重金属氧化物不易吸水，在空气中具有较好的稳定性，使得锗酸盐玻璃光纤与磷酸盐玻璃光纤(易吸水，在空气中放置很容易被腐蚀)相比具有更好的化学稳定性和环境适应性。

4、相对较低的声子能量：使用上述组分制备的锗酸盐玻璃的最大声子能量～900cm^-1，而石英玻璃的最大声子能量～1100cm^-1，磷酸盐玻璃的最大声子能量～1200cm^-1，相对较低的声子能量有利于减小稀土离子在锗酸盐玻璃中的无辐射跃迁，稀土离子的荧光量子效率相对较高，有利于制备稀土离子掺杂的高功率光纤激光器和光纤放大器。

具体实施方式

实施例1

一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃单包层光纤，纤芯玻璃的组成为：20mol％BaO-5mol％Ga₂O₃-70mol％GeO₂-5mol％Y₂O₃，外加4.0mol％Tm₂O₃；包层玻璃采用与纤芯玻璃同组分，但不掺杂稀土离子的锗酸盐玻璃；通过管棒法制得横截面为圆形的光纤预制棒；在拉丝塔上拉出外径为200μm、芯径为30μm的锗酸盐玻璃光纤，在808nmLD激发下可获得1.5～2.2μm的发光。

实施例2

一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃单包层光纤，纤芯玻璃的组成为：30mol％Ga₂O₃-25mol％PbO-40mol％GeO₂-5mol％La₂O₃，外加0.2mol％Ho₂O₃；外包层采用折射率、玻璃转变温度、析晶开始温度与纤芯玻璃相匹配的硅酸盐光学玻璃，通过管棒法制得光纤预制棒；在拉丝塔上拉出外径为125μm、芯径为7μm的标准锗酸盐玻璃光纤，在2.0μm掺铥激光器，或1535nm掺铒激光器激发下可获得1.5～2.2μm的发光。

实施例3

一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃双包层光纤，纤芯玻璃的组成为：15mol％BaO-10mol％Ga₂O₃-70mol％GeO₂-5mol％Ln₂O₃，外加1mol％Ho₂O₃和1mol％Yb₂O₃；采用折射率、玻璃转变温度相匹配的镧冕玻璃作为光纤内包层材料，利用管棒法制备内包层横截面为方形的光纤预制棒；采用折射率相匹配的塑料作为外包层，在拉丝塔上拉出外径为200μm、芯径为30μm锗酸盐双包层玻璃光纤，在980nmLD激发下可获得1.5～2.2μm的发光。

实施例4

一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光子晶体光纤，纤芯玻璃的组成为：15mol％BaF₂-10mol％Ga₂O₃-65mol％GeO₂-8mol％Na₂O，外加0.5mol％Tm₂O₃、0.5mol％Ho₂O₃和1.0mol％Yb₂O₃；将熔制好的锗酸盐玻璃，通过机械加工方法在玻璃预制棒的横截面上加工出小孔阵列，然后在拉丝塔上拉出外径为200μm的锗酸盐玻璃光子晶体光纤，在808nmLD，或976nmLD，或同时使用808nmLD和976nmLD激发可获得1.5～2.2μm的发光。

实施例5

一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃单包层光纤，纤芯玻璃的组成为：5mol％Ga₂O₃-90mol％GeO₂-5mol％Al₂O₃，外加1.0mol％Tm₂O₃和1.0mol％Yb₂O₃；包层玻璃采用与纤芯玻璃同组分，但不掺杂稀土离子的锗酸盐玻璃；通过管棒法制得横截面为D形的光纤预制棒；在拉丝塔上拉出外径为200μm、芯径为30μm的锗酸盐玻璃光纤，在808nmLD激发下可获得1.5～2.2μm的发光。

Claims (8)

1、一种发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，包括纤芯和包层，其特征在于：该光纤的纤芯材料为锗酸盐玻璃，该玻璃组分包括：

GeO₂                               40～90mol％；

PbO                                0～25mol％；

BaO或CaO                           0～20mol％；

Ga₂O₃                              5～30mol％；

La₂O₃或In₂O₃或Y₂O₃或Al₂O₃           1～10mol％；

Li₂O或Na₂O或K₂O                    0～10mol％；

所述纤芯掺杂有稀土离子，所掺杂的稀土离子及其掺杂方式为：单掺Tm³⁺，或单掺Ho³⁺，或Tm³⁺/Ho³⁺共掺，或Tm³⁺/Yb³⁺共掺，或Ho³⁺/Yb³⁺共掺，或Tm³⁺/Ho³⁺/Yb³⁺三掺。

2、根据权利要求1所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：稀土离子相对于所述玻璃组分总量的掺杂浓度范围为0.2～4mol％。

3、根据权利要求1所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：所掺杂的稀土离子由氧化物引入。

4、根据权利要求1所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：所掺杂的稀土离子由氟化物引入。

5、根据权利要求1所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：所掺杂的稀土离子由氯化物引入。

6、根据权利要求1～5任一项所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：所述光纤为单包层光纤或双包层光纤或光子晶体光纤。

7、根据权利要求6所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：所述双包层光纤内包层的横截面为圆形、椭圆形、方形、D形或梅花形。

8、根据权利要求7所述的发射波长处于1.5～2.2μm的锗酸盐玻璃光纤，其特征在于：当光纤的包层端面为圆形时，纤芯位于包层的中心或偏离包层中心。