CN101976795A

CN101976795A - 掺钆的紫外上转换氟化物光纤及光纤激光器

Info

Publication number: CN101976795A
Application number: CN 201010279289
Authority: CN
Inventors: 秦伟平; 何春凤; 秦冠仕; 赵丹
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2011-02-16

Abstract

本发明涉及一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤及以该氟化物光纤为频率上转换激光介质的光纤激光器。该激光器包括泵浦源、准直聚焦透镜组、输入耦合镜、频率上转换激光介质、输出耦合镜，其中频率上转换激光介质为单包层、双包层或多包层的氟化物光纤，在氟化物光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。输入耦合镜和输出耦合镜可以由光纤光栅代替。本发明光纤激光器的紫外波段输出波长可分别为～202nm、～246nm、～253nm、～274nm、～276nm、～279nm、～305nm和～311nm的激光，是一种全固态短波长输出的激光光源，同时光纤结构激光器有利于器件的小型化和集约化。

Description

掺钆的紫外上转换氟化物光纤及光纤激光器

技术领域

本发明属于全固态短波长激光器技术领域，具体涉及一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤及以该氟化物光纤为频率上转换激光介质的光纤激光器。

背景技术

固体激光器具有光束质量高、运转稳定可靠、使用寿命长等优点。随着激光技术的发展及其在高密度数据存储、三维显示、海底通信、光纤传感、激光医疗、光计算和光谱测量等领域的广泛应用，短波长固体激光特别是紫外固体激光器日益引起人们的关注。现有的紫外固体激光器一般采用红外半导体激光泵浦输出波长比该半导体激光更长的固体基波激光，再经过至少两次倍频或和频的过程才能得到。其激光器件中除了一块激光介质外还需要采用两块以上的非线性光学晶体。这就使得器件结构非常复杂，价格比较昂贵。使用过程中需要经常对其中的非线性光学器件进行调整和校正，维护成本较高，稳定性和可靠性都比较差，对使用环境的要求也比较高，在很多领域无法应用。

稀土掺杂的上转换光纤激光器其工作介质主要以氟化物玻璃体系为主。氟化物玻璃体系之所以成为人们青睐的上转换发光基质材料，是因为具有较低的声子能量，较低的声子能量能够降低玻璃在泵浦过程中无辐射驰豫几率，提高稀土离子中间亚稳态能级的荧光寿命，从而有效提高上转换发光的效率。

稀土掺杂玻璃及光纤具有如下优点：(1)不需要严格的相位匹配，掺杂的稀土离子在基质玻璃中由于受到晶格电场的束缚而形成了稀土离子能级的Stark***，同时在这些***能级之间由于声子的产生与湮灭引起能量交换，从而导致了这些能级的均匀或非均匀展宽，因而对激发波长的稳定性要求不高；(2)由于稀土离子能级丰富，激光输出波长多；(3)输出波长具有一定的可调谐性。另外，利用掺稀土玻璃光纤实现短波长激光输出更有利于制作结构简单、价格低廉的小型激光器。通过把玻璃态材料拉制成光纤，可使泵浦光被限制在一个有限的区域，在较长的光纤长度下实现较高的粒子数反转，进而实现较强的上转换发光。并且，通过在光纤两端进行半导体激光器阵列的包层泵浦技术，可实现高功率的激光输出。

发明内容

本发明的目的是提供一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤，进而提供一种全固态短波长掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，该激光器采用的激光介质为能够产生紫外上转换激光的掺Gd的紫外上转换氟化物光纤。

掺钆的紫外上转换氟化物光纤，为单包层光纤、双包层光纤或多包层光纤，在光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。

本发明通过掺Gd的紫外上转换氟化物光纤将连续或脉冲的红外、近红外泵浦光直接、有效地转变成为紫外～202nm、～246nm、～253nm、～274nm、～276nm、～279nm、～305nm和～311nm的激光输出，其是分别来自Gd³⁺离子的⁶G_J、⁶D_J、⁶I_J和⁶P_J各激发态到基态⁸S_7/2的受激发射，目的在于丰富紫外激光的输出波长，解决激光***结构复杂、维护困难、价格昂贵等问题，使得器件尽量紧凑和小型化，同时提高运行稳定性，降低器件成本。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器由泵浦源、准直聚焦透镜组、输入耦合镜、频率上转换激光介质、输出耦合镜组成。其中频率上转换激光介质为单包层、双包层或多包层的氟化物光纤，在氟化物光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。

所述的氟化物光纤为30ZnF₂-25PbF₂-30AlF₃-15LiF、53ZrF₄-20BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-20NaF、61ZrF₄-16BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-16NaF、54ZrF₄-34BaF₂-8LaF₃-4AlF₃、56ZrF₄-25BaF₂-4LaF₃-15NaF、57ZrF₄-25BaF₂-3AlF₃-15NaF、35AlF₃-15YF₃-10MgF₂-20CaF₂-10SrF₂-10Ba F₂、45ZrF₄-36BaF₂-8AlF₃-11YF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃-10LiF-10NaF、57ZrF₄-36BaF₂-3LaF₃-4AlF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃、67ZrF₄-19BaF₂-14GdF₃等中的一种。

氟化物光纤是具有小声子能量的氟化物玻璃光纤。

氟化物光纤的纤芯中还可以进一步掺杂0.01～30％摩尔浓度的敏化离子Yb、Tm、Er中的一种或几种。

输入耦合镜的内端面镀有对泵浦光的增透膜、紫外光的高反膜(高反膜的反射率大于99.5％，以下同)；输出耦合镜的内端面镀泵浦光的高反膜和紫外光的反射膜(反射膜的反射率为70％～85％，以下同)，增透膜、高反膜和反射膜均可以由华北光电技术研究所按照需要的反射率指标提供镀膜加工。

可以代替输入耦合镜的光纤光栅的出现方式为直接焊到氟化物光纤上，或者以相位掩模法或全息法直接写入在氟化物光纤上。(制作过程参见参考文献：孙磊，《光纤光栅的制作及应用研究》南开大学硕士学位论文，2004)

氟化物光纤采用浇注法拉制(制作过程参见参考文献：俞包廷等，《旋转浇铸法小芯径掺杂氟化物玻璃光纤预制棒的研制》硅酸盐通报，1994年第2期)

与现有技术相比，本发明优点在于：在频率上转换激光介质-氟化物光纤中掺杂稀土离子Gd，使得产生紫外～202nm、～246nm、～253nm、～274nm、～276nm、～279nm、～305nm和～311nm附近波长的紫外激光(我们已经在Gd掺杂的氟化物中观察到了此波段很强的荧光谱，如图1和图2所示)；同时，通过熔接或在掺稀土离子的光纤纤芯中再掺入光敏元素，如锗、锡、硼等，便于直接在激光光纤中写入光栅，形成全光纤结构可调谐激光器，有利于器件的小型化和集成化。

附图说明

图1：实施例1中掺Gd氟化物253nm～311nm波段的光致发光谱；

图2：实施例1中掺Gd氟化物202nm～253nm波段的光致发光谱；

图3：实施例1中为掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器的结构示意图；

其中，泵浦源1、准直聚焦透镜组2、输入耦合镜3、频率上转换激光介质4、输出耦合镜5；

图4：双包层光纤结构示意图；其中，外包层41，内包层42，纤芯43。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图3所示，一种紫外～202nm、～246nm、～253nm、～274nm、～276nm、～279nm、～305nm和～311nm附近激光输出的掺Gd上转换氟化物光纤激光器，包括泵浦源、准直聚焦透镜组、输入耦合镜、Gd掺杂氟化物光纤、输出耦合镜，其中准直聚焦透镜组、输入耦合镜、输出耦合镜的材料为石英或K9玻璃。泵浦源为一台输出功率为10W、输出波长为980nm的半导体激光器(LD)；输入耦合透镜的内表面上镀有980nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的内表面上镀有对980nm高反射、202～311nm波长85％反射的介质膜；

本例所述的Gd掺杂氟化物光纤为双包层光纤结构，其中内包层的成份是ZBLAN(53ZrF₄ 20BaF₂ 4LaF₃ 3AlF₃ 20NaF)，纤芯的成份是掺杂有Gd³⁺和Yb³⁺稀土离子的ZBLAN(53ZrF₄ 20BaF₂ 4LaF₃ 3AlF₃ 20NaF)，其中掺杂的Gd³⁺和Yb³⁺稀土离子的摩尔浓度分别为1％和20％。外包层由石英***管与内包层熔为一整体，拉丝后得到。拉丝后纤芯的直径为10微米，内包层的直径为125微米，外包层的直径为175微米，光纤长度为120cm。光纤的玻璃转化温度在268℃左右、析晶温度353℃、线膨胀系数11.0×10^-6/℃、折射率1.469左右。在此实施例中，高反射是指反射率高于99.5％以上。

泵浦源与准直聚焦透镜组的距离为1厘米、输入耦合镜外表面位于准直聚焦透镜组的焦点上、Gd掺杂氟化物光纤一端与输入耦合镜内表面紧邻、另一端与输出耦合镜内表面紧邻。当泵浦源的输出泵浦激光达到阈值功率时，在输入耦合镜和输出耦合镜构成的谐振腔中，泵浦光在内包层内多次全反射从而多次通过纤芯，稀土离子通过激发态吸收、能量转移、光子雪崩等上转换发光机制，产生202～311nm附近的紫外激光。

这便是一个适于980nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

实施例2、参照实施例1，本发明采用光纤布拉格光栅代替输入耦合镜和输出耦合镜的解决方案，各部件的关系是：泵浦源输出的泵浦激光，经准直聚焦透镜组5聚焦后透过光纤布拉格光栅，耦合进稀土掺杂光纤，所述的输入耦合镜和稀土掺杂光纤的接触端面应紧贴，产生的紫外激光部分透过光纤布拉格光栅输出。光纤布拉格光栅(与工作物质稀土掺杂光纤成分相同)可以通过熔接的方式熔接到稀土掺杂光纤上，也可以直接在所述的稀土掺杂光纤上通过位相掩模法或全息法写入光栅。

实施例3、参照实施例1，采用1020nm波长激光器作为泵浦源，泵浦稀土离子掺杂光纤的成分是ZBLAN(61ZrF₄ 16BaF₂ 4LaF₃ 3AlF₃ 16NaF)，结构为单包层光纤，包层成分是ZBLAN(61ZrF₄ 16BaF₂ 4LaF₃ 3AlF₃ 16NaF)，纤芯中掺杂有10％摩尔浓度的Gd³⁺稀土离子，输入耦合透镜的内表面上镀有1020nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的内表面上镀有对1020nm高反、202～311nm波长90％反射的介质膜；这便是一个适于1020nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

实施例4、参照实施例1，采用1120nm波长激光器作为泵浦源，泵浦稀土离子掺杂光纤的成分是ZBLA(54ZrF₄ 34BaF₂ 8LaF₃ 4AlF₃)，结构为双包层光纤，纤芯中掺杂有Gd³⁺、Yb³⁺和Tm³⁺稀土离子，摩尔掺杂浓度分别为10％、5％和1％，内包层的成份是ZBLA(54ZrF₄ 34BaF₂ 8LaF₃ 4AlF₃)，外包层由石英***管与内包层熔为一整体，拉丝后得到。

输入耦合透镜的内表面上镀有1120nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的表面上镀有对1120nm高反、202～311nm波长95％反射的介质膜；这便是一个适于1120nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

实施例5、参照实施例1，采用1550nm波长激光器作为泵浦源，泵浦稀土离子掺杂光纤的成分是ZBLN(56ZrF₄ 25BaF₂ 4LaF₃ 15NaF)，结构为双包层光纤，纤芯中掺杂有Gd³⁺、Yb³⁺和Er³⁺稀土离子，摩尔掺杂浓度分别为10％、5％和2％。输入耦合透镜的内表面上镀有1550nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的表面上镀有对1550nm高反、202～311nm波长90％反射的介质膜；这便是一个适于1550nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

实施例6、参照实施例4，采用1120nm波长激光器作为泵浦源，泵浦稀土离子掺杂光纤的成分是ZBLAN(53ZrF₄ 20BaF₂ 4LaF₃ 3AlF₃ 20NaF)，结构为双包层光纤，纤芯中掺杂有Gd³⁺和Tm³⁺稀土离子，摩尔掺杂浓度分别为10％和10％。输入耦合透镜的内表面上镀有1120nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的表面上镀有对1120nm高反、202～311nm波长95％反射的介质膜；这便是一个适于1120nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

实施例7、参照实施例5，采用1550nm波长激光器作为泵浦源，泵浦稀土离子掺杂光纤的成分是ZBAN(57ZrF₄ 25BaF₂ 3AlF₃ 15NaF)，结构为双包层光纤，纤芯中掺杂有Gd³⁺和Er³⁺稀土离子，摩尔掺杂浓度分别为15％和5％。输入耦合透镜的内表面上镀有1550nm波长的增透膜、202～311nm的高反膜，输出耦合透镜6的表面上镀有对1550nm高反、202～311nm波长90％反射的介质膜；这便是一个适于1550nm近红外光端面泵浦全固态上转换紫外激光器，输出202～311nm波长的紫外激光器。

Claims

1.掺钆的紫外上转换氟化物光纤，为单包层光纤、双包层光纤或多包层光纤，其特征在于：在光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。

2.如权利要求1所述的掺钆的紫外上转换氟化物光纤，其特征在于：氟化物光纤为30ZnF₂-25PbF₂-30AlF₃-15LiF、53ZrF₄-20BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-20NaF、61ZrF₄-16BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-16NaF、54ZrF₄-34BaF₂-8LaF₃-4AlF₃、56ZrF₄-25BaF₂-4LaF₃-15NaF、57ZrF₄-25BaF₂-3AlF₃-15NaF、35 AlF₃-15YF₃-10MgF₂-20CaF₂-10SrF₂-10Ba F₂、45ZrF₄-36BaF₂-8AlF₃-11YF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃-10LiF-10NaF、57ZrF₄-36BaF₂-3LaF₃-4AlF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃或67ZrF₄-19BaF₂-14GdF₃。

3.如权利要求1所述的掺钆的紫外上转换氟化物光纤，其特征在于：氟化物光纤的纤芯中进一步掺杂0.01～30％摩尔浓度的敏化离子Yb、Tm、Er中的一种或几种。

4.一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，由泵浦源、准直聚焦透镜组、输入耦合镜、频率上转换激光介质、输出耦合镜组成，其特征在于：频率上转换激光介质为单包层、双包层或多包层的氟化物光纤，在氟化物光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。

5.一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，由泵浦源、准直聚焦透镜组、光纤布拉格光栅、频率上转换激光介质、光纤布拉格光栅组成，其特征在于：频率上转换激光介质为单包层、双包层或多包层的氟化物光纤，在氟化物光纤的纤芯中掺杂有摩尔浓度为0.01～15％的Gd稀土离子。

6.如权利要求4或5所述的一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，其特征在于：氟化物光纤为30ZnF₂-25PbF₂-30AlF₃-15LiF、53ZrF₄-20BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-20NaF、61ZrF₄-16BaF₂-4LaF₃-3AlF₃-16NaF、54ZrF₄-34BaF₂-8LaF₃-4AlF₃、56ZrF₄-25BaF₂-4LaF₃-15NaF、57ZrF₄-25BaF₂-3AlF₃-15NaF、35AlF₃-15YF₃-10MgF₂-20CaF₂-10SrF₂-10BaF₂、45ZrF₄-36BaF₂-8AlF₃-11YF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃-10LiF-10NaF、57ZrF₄-36BaF₂-3LaF₃-4AlF₃、52ZrF₄-19BaF₂-5LaF₃-4AlF₃或67ZrF₄-19BaF₂-14GdF₃。

7.如权利要求4或5所述的一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，其特征在于：氟化物光纤的纤芯中进一步掺杂0.01～30％摩尔浓度的敏化离子Yb、Tm、Er中的一种或几种。

8.如权利要求4所述的一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，其特征在于：输入耦合镜的内端面镀泵浦光增透膜、紫外光的高反膜；输出耦合镜的内端面镀泵浦光的高反膜和紫外光的反射膜。

9.如权利要求5所述的一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，其特征在于：光纤布拉格光栅是直接焊到氟化物光纤上。

10.如权利要求5所述的一种掺Gd的紫外上转换氟化物光纤激光器，其特征在于：光纤布拉格光栅是直接在所述的氟化物光纤上通过位相掩模法或全息法写入光栅。