CN1624504A - 钕离子掺杂单模光子晶体光纤及调整发光光谱的方法 - Google Patents
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Abstract
一种钕离子掺杂单模光子晶体光纤及调整发光光谱的方法,钕离子掺杂单模光子晶体光纤的基本结构由纤芯区和内包层区以及外包层区所组成,纤芯区由钕离子掺杂的透明均匀玻璃组成,内包层区由多层透明均匀圆柱状材料沿光纤横截面在另一种透明均匀玻璃中周期性排列形成,外包层区由第三种透明均匀玻璃组成,所述纤芯区材料的折射率n1等于内包层区中包围圆柱材料的透明均匀玻璃的折射率n2,外包层区的透明均匀玻璃的折射率n4仅大于内包层区中的透明均匀圆柱状材料的折射率n3。利用本发明晶体光纤调控发光光谱的方法的关键是调整注入该光纤端面的泵浦光的光轴与该光纤轴线的夹角和注入该光纤端面的泵浦光的功率,可以获得新的发光光谱。
Description
技术领域
本发明涉及晶体光纤,特别是一种钕离子掺杂单模光子晶体光纤及调整发光光谱的方法。钕离子发光光谱在该光纤中随泵浦光入射角度的变化(泵浦光相对于光纤轴线角度)可调。
背景技术
现代光纤技术的发展推动了光纤放大器和光纤激光器的发展。稀土掺杂有源光纤广泛用于光放大和激光领域。传统的有源光纤大致有普通阶跃型和双包层型。光纤激光器和光纤放大器应用领域中,单模光纤优于多模光纤。但是传统的光纤可以支持单模运转的波段比较窄。通常可以通过降低纤芯的直径来使得单模运转波段变宽,但是,这样会使得光纤容易产生非线形效应导致可以承载的光功率大幅度降低。此外,传统稀土有源光纤可用的发光波长或发光波段比较少,主要工作介质有工作于光通讯窗口(C+L波段)的铒离子掺杂光纤,工作于1064nm的钕离子掺杂光纤和1046nm的镱离子掺杂光纤。尽管还有工作于光通讯窗口S波段的掺铥光纤和O波段的掺镨光纤,但它们都是基于多组分玻璃,比如氟化物玻璃,硫化物玻璃,碲酸盐玻璃等,其应用前景受到限制。
克服利用传统光纤不能在较宽波段内保持光信号单模的难题近年来随着大芯径有效折射率型光子晶体光纤的发明找到了解决的希望(Knight J C,Birks T A,Russell P St J,and Atkin D M 1996 Opt.Lett.21 1547,专利公开号CN 1269020A)。光子晶体光纤由纤芯和包含有有序排列的空气柱的包层组成。在有效折射率型光子晶体光纤中,空气孔降低了包层的有效折射率,因而,光能够被全反射机制限制在折射率相对较高的纤芯中传播。这种光子晶体光纤具有传统光纤所不具有的许多性质,比如,无休止波段范围单模传输,大模面积,反常色散等。所谓无休止波段范围单模传输是指在光波长范围内的任意波长的光在光子晶体光纤中传输时保持单模。无休止波段范围单模传输和大模面积这些性质使得有源掺杂光子晶体光纤可以很方便地被应用到高功率单模光纤激光器和光纤放大器中去(J.Limpert,T.Schreiber,S.Nolte,H.Zellmer,A.Tünnermann,etc.Opt.Exp.11 818)。
尽管光子晶体光纤的出现为解决单模与大芯径的两难问题提供了有效的途径,但是,现有可实用波长和波段的光子晶体光纤仍然不能满足激光器和放大器领域日益增长的需要。主要有掺镱双包层光子晶体光纤,掺铒光子晶体光纤,以及掺钕光子晶体光纤等,上述稀土离子在这些光纤中的发光光谱相对于在传统光纤中的发光光谱而言,发光峰位置和各发光峰之间的相对强度并没有明显变化,因而难以用来开发出新的工作波长的激光器和新的工作波段的放大器。
发明内容
本发明的目的就是要克服上述现有技术的不足,提供一种钕离子掺杂单模光子晶体光纤及调控发光光谱的方法,利用本发明的光子晶体光纤,在特定的泵浦条件下,通过改变泵浦光耦合进入光纤的角度,在保持光纤的宽波段单模运转和大模面积性质的基础上,实现对纤芯掺杂钕离子的荧光发光行为进行调控,以及对各发射主峰的强度加以抑制或者增强。具体而言就是设计这种光纤的多层结构,使得这种结构的光纤在一定泵浦条件下可以抑制住三价钕离子位于1.064μm附近的4F3/2→4I11/2跃迁带的最强峰,而将0.90μm附近的4F3/2→4I9/2跃迁带的荧光峰增强为最强峰,并调节入射光的角度实现宽范围可调谐;同样也能够将4F3/2→4I15/2跃迁的很弱的荧光峰增强为最强峰;此外还能够将4F3/2→4I11/2和4F3/2→4I13/2(位于1330附近)发射带内的主峰位置调节到带尾;此外还可以使得4F3/2→4I13/2跃迁的荧光带宽变宽,荧光强度变得扁平。
本发明的技术解决方案如下:
一种钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其基本结构由纤芯区和内包层区以及外包层区所组成,纤芯区由钕离子掺杂的透明均匀玻璃组成,内包层区由多层透明均匀圆柱状材料沿光纤横截面在另一种透明均匀玻璃中周期性排列形成,外包层区由第三种透明均匀玻璃组成,所述纤芯区材料的折射率n1等于内包层区中包围圆柱材料的透明均匀玻璃的折射率n2,外包层区的透明均匀玻璃的折射率n4仅大于内包层区中的透明均匀圆柱状材料的折射率n3。
所述的纤芯区的形状为圆柱状,直径不小于30微米。
所述的纤芯至少占据一个圆柱状材料的位置。
所述的圆柱状材料在内包层区透明均匀玻璃中的排列方式为六角型周期性排列。
所述的内包层区圆柱状材料的直径不超过4微米。
所述的内包层区中相邻两圆柱状材料的柱心到柱心之间的距离不超过15微米。
所述的内包层区圆柱状材料是水,或液晶,或低折射率的透明均匀玻璃。
所述的内包层区包围圆柱状材料的透明均匀玻璃为掺杂钕离子的与纤芯玻璃组成一样的玻璃。
所述的外包层区的透明均匀玻璃的折射率n4仅仅大于内包层区中的透明均匀圆柱状材料(3)的折射率n3。
利用所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤调控发光光谱的方法,其关键是调整注入该光纤端面的泵浦光的光轴与该光纤轴线的夹角和注入该光纤端面的泵浦光的功率,可以获得新的发光光谱。
本发明的关键技术在于传输光辐射的光纤的结构以及采用特殊的泵浦光耦合方式。
本发明采用的泵浦光耦合方式为泵浦光经显微聚焦***聚焦后以倾斜角度(泵浦光相对于光纤轴线的角度)聚焦在光纤端面进行泵浦。
本发明的技术效果:
本发明光纤既可实现大模面积和单模传输,又能拓展出新的工作波长和波段,开发出更多的传输波段的光纤放大器和高功率、多波长、宽调谐的光纤激光器。
附图说明
图1为本发明的光纤横截面示意图。
图2为本发明光纤的泵浦光耦合光路图。
图3为本发明第一实施例光纤在808纳米半导体激光泵浦下,不同角度下的发射光谱。
图4为本发明第一实施例光纤在808纳米半导体激光泵浦下,发射光谱中新出现的三个峰的荧光强度随角度的变化情况的对比。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述,但不应以此限制本发明的保护范围。
参考图1,图1为本发明的光纤横截面示意图。由图可见,本发明的光纤由四个部分组成,包括由钕离子掺杂透明均匀玻璃组成的纤芯区1,透明均匀圆柱状材料3沿光纤横截面排列在另一种透明均匀玻璃2中形成的内包层和由第三种透明均匀玻璃组成的外包层4。纤芯区1材料的折射率n1大于内包层区中包围柱材料3的折射率n3和透明均匀玻璃2的折射率n2,外包层区4的透明均匀玻璃的折射率n4仅仅大于内包层区中的透明均匀柱状材料3的折射率n3。当内包层区圆柱状材料3的直径与最小柱间距的比值小于某常数值时,光纤在较宽波段内满足单模运转的条件。
参考图2,图2为本发明光纤的泵浦光耦合光路图。利用所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤调控发光光谱的方法,其关键是调整注入该光纤端面的泵浦光的光轴与该光纤轴线的夹角和注入该光纤端面的泵浦光的功率,以获得新的发光光谱。图中一半导体激光器5发出的808nm波长激光经过显微聚焦***6聚焦后,其光束轴线与光纤轴线呈一倾角聚焦在光纤7的端面,聚焦光斑集中在纤芯8的端面区域,所发出的荧光为荧光光谱仪9所接收检测。
实施例1
选用折射率为1.514和1.487的钕离子掺杂的和未掺杂的硅酸盐玻璃。其中掺杂量为3.6wt%,这些玻璃经机械切割,打磨,抛光后得到长为200mm,直径为20mm的硅酸盐玻璃棒。然后,在这些玻璃棒的中间用机械钻孔的方法钻出直径为8mm的通孔,形成玻璃管。利用普通的光纤拉丝机将这些玻璃管拉制成外径为1mm,内径为0.4mm的毛细管。然后将其中的钕离子掺杂毛细管3手工堆积成六角型排列的直径为12mm的多孔结构,其中中间的7根毛细管用一根直径为3mm的实心钕离子掺杂玻璃棒替代作纤芯1。然后在该多孔结构的外面再套上一根内径为12mm,外径为21mm的未掺杂硅酸盐玻璃管4。该外套玻璃管4具有和掺杂玻璃相近的温度—粘度变化,热膨胀系数和玻璃转变温度,因而十分匹配。利用普通的光纤拉丝塔,最终可以得到几百米长度的外径为250μm,芯径为36μm,孔直径为4μm,孔间距为10.6μm的光纤。
用模式分析仪测量显示该光纤至少在660nm到1400nm波段是支持单模传输的,在端面的强度分布为高斯分布。
在图2所示装置上,在808nm的半导体激光的激发下,通过调节泵浦光耦合进入光纤的角度进行测量。其结果如图3和图4所示。
图3为本实施例光纤在808纳米激光泵浦下,不同角度下的发射光谱。当泵浦光相对于光纤轴线的角度增大时,在1062nm发射带的尾端出现1136nm的发射峰,同时,在1330nm为中心的发射带的前端和后端也出现了波长为1294nm和1384nm的发射峰。
图4为这三个峰的强度随角度的变化情况的对比,发现,在1384nm处的峰随着角度的变化峰值变化很大,在18°角时,强度超过了1062nm处的主峰的强度1.3倍,而其它两个新峰的变化幅度不大。
实施例2
选用折射率为1.543和1.513的钕离子掺杂(掺杂量为3.6wt%)和未掺杂磷酸盐块状玻璃。将这些玻璃加工成长为200mm,直径为20mm的磷酸盐玻璃棒。在玻璃棒的中间用机械钻孔的方法钻出直径为6mm的通孔,形成玻璃管。利用普通的光纤拉丝机将这些玻璃管拉制成外径为1mm,内径为0.3mm的毛细管。然后将其中的钕离子掺杂玻璃毛细管手工堆积成六角型排列的外径为12mm的多孔结构,其中中间的7根毛细管用一根直径为3mm的实心掺杂玻璃棒替代。然后在该多孔结构的外面再套上一根内径为12mm,外径为18mm的未掺杂磷酸盐玻璃管4。该外套玻璃管4具有和掺杂玻璃相近的温度—粘度变化,热膨胀系数和玻璃转变温度。利用普通的光纤拉丝塔,最终可以得到几百米长度的外径为180μm,芯径为30μm,孔直径为2.5μm,孔间距为9.5μm的光纤。
使用模式分析仪(BeamView AnalyzerEM(Coherent Inc.))测量该光纤的模式得知该光纤至少在408nm到1400nm波段是支持单模传输的,在端面的模式强度分布为高斯分布。
采用808nm激光,从端面对一段1米长的光纤进行泵浦,另一端出射的光信号为光谱仪所接收。当808nm激光以倾斜的角度入射时(相对于光纤轴线),发现,从5度角开始,以1330nm为中心的发射带的长波长端出现了波长为1396nm的发射峰。尤其,当入射角继续增大到22度时,新的发射峰的强度也增大,最终在1396nm处的发射峰的强度甚至超过了1055nm处的强度,为该峰的1.3倍。此外在1396nm处的发射峰增强的过程中,位于900nm附近的荧光峰的强度也不断增强,最终达到1055nm处的荧光峰的2.4倍而成为最强峰。
实施例3
采用折射率为1.453和1.448的掺杂石英块状玻璃(掺杂量为1000ppm)和未掺杂石英块状玻璃。将这些石英玻璃加工成长为200mm,直径为20mm的玻璃棒。在一些掺杂玻璃棒的中间用机械钻孔的方法钻出直径为4mm的通孔,形成玻璃管。利用普通的光纤拉丝机将这些玻璃管拉制成外径为1mm,内径为0.2mm的毛细管。然后将这些毛细管手工堆积成六角型排列的多孔结构,其中中间的7根毛细管用一根直径为3mm的实心掺杂玻璃棒替代。然后在该多孔结构的外面再套上一根内径为12mm,外径为23mm的未掺杂石英玻璃管4。该外套玻璃管4具有和掺杂玻璃相近的温度—粘度变化,热膨胀系数和玻璃转变温度。利用普通的光纤拉丝塔,平衡预制棒的进动速度和拉丝温度,最终可以得到几百米长度的外径为250μm,芯径为38μm,孔直径为1.9μm,孔间距为15μm的光纤。
使用模式分析仪(BeamView AnalyzerEM(Coherent Inc.))测量该光纤的模式得知该光纤至少在408nm到1400nm波段是支持单模传输的,在端面的模式强度分布为高斯分布。
采用808nm激光,从端面对一段1米长的光纤进行泵浦,另一端出射的光信号为光谱仪所接收。当808nm激光以倾斜的角度入射时(相对于光纤轴线),发现,从7度角开始,以1330nm为中心的发射带的变得扁平,荧光带宽变宽,当入射角继续增大到17度角时,该发射带的带宽可以达到150nm,从1280nm直到1435nm。此外,对应于4F3/2→4I15/2跃迁的1830nm发射带的峰值强度超过了4F3/2→4I11/2跃迁1064nm处的强度,为1064nm峰强度的1.8倍,成为最强峰。
Claims (10)
1、一种钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于它的基本结构由纤芯区(1)和内包层区(2,3)以及外包层区(4)所组成,纤芯区(1)由钕离子掺杂透明均匀玻璃组成,内包层区由多层透明均匀圆柱状材料(3)沿光纤横截面在另一种透明均匀玻璃(2)中周期性排列形成,外包层区(4)由第三种透明均匀玻璃组成,纤芯区(1)材料的折射率n1等于内包层区中包围圆柱材料(3)的透明均匀玻璃(2)的折射率n2,外包层区(4)的透明均匀玻璃的折射率n4仅大于内包层区中的透明均匀圆柱状材料(3)的折射率n3。
2、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的纤芯区(1)的形状为圆柱状,直径不小于30微米。
3、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的纤芯(1)至少占据一个圆柱状材料(3)的位置。
4、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的圆柱状材料(3)在内包层区透明均匀玻璃中的排列方式为六角型周期性排列。
5、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的内包层区圆柱状材料(3)的直径不超过4微米。
6、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的内包层区(2,3)相邻两圆柱状材料(3)的柱心到柱心之间的距离不超过15微米。
7、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的内包层区的圆柱状材料(3)是水,或液晶,或低折射率的透明均匀玻璃。
8、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的内包层区包围圆柱状材料(3)的透明均匀玻璃(2)为掺杂钕离子的与纤芯玻璃(1)组成一样的玻璃。
9、根据权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤,其特征在于所述的外包层区(4)的透明均匀玻璃的折射率n1仅大于内包层区中的透明均匀圆柱状材料(3)的折射率n3。
10、利用权利要求1所述的钕离子掺杂单模光子晶体光纤调控发光光谱的方法,其关键是调整注入该光纤端面的泵浦光的光轴与该光纤轴线的夹角和注入该光纤端面的泵浦光的功率,以获得新的发光光谱。
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- 2004-12-15 CN CN 200410093026 patent/CN1624504A/zh active Pending
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