论文部分内容阅读
2μm波段光纤激光器在国家安全、军民通信、医疗手术等领域有着重要的应用成为了国内外研究热点。本文首先基于相图分析,根据成玻范围设计了碲酸盐与铋酸盐纤芯玻璃配方体系,进一步优化并制备了两种纤芯玻璃,研究了其物化性能与结构特性;之后研究了Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺纤芯玻璃的光谱特性与能量传递过程;最后通过速率方程理论构建了Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺1.8μm波段激光器数学模型,得到了光纤长度、掺杂浓度对泵浦光、信号光功率的影响。主要内容与结论如下:1.开展了Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺碲酸盐纤芯玻璃配方体系设计优化、制备及光谱性能研究:(1)为提升纤芯玻璃稀土离子溶解度与机械强度,设计优化了碲硼酸盐玻璃体系,采用高温熔融法制备了30Te O2-30B2O3-30Zn O-10Na2O(简称TBZN)纤芯玻璃,通过密度、折射率、DSC等测试研究了其基本性质。该纤芯玻璃在2μm附近的折射率约为1.70,且具有较大的转变温度Tg(为482℃)与较大的ΔT值(163℃),表明TBZN纤芯玻璃具有良好的热稳定性。通过FT-IR与Raman光谱得到了TBZN纤芯玻璃中所含有的结构,并得到了纤芯玻璃的最大声子能量(1340 cm-1)。通过XPS分析得到了玻璃中桥氧占比约为89.51%,以[Te O3-]为主要结构。(2)深入研究了不同Tm3+浓度下TBZN纤芯玻璃的光谱性能与能量传递机理。得到在30Te O2-30B2O3-30Zn O-10Na2O-3Tm2O3(TBZT3,Tm3+浓度为7.57×1020ions/cm~3)纤芯玻璃中1.8μm发射最强,掺杂浓度大于其他报道的碲酸盐玻璃。TBZT3玻璃中Tm3+具有较大的Ω2值(6.33×10-20cm~2),其~3F4→~3H6能级自发辐射跃迁几率A较大为368.87 s-1。计算得到TBZT3中Tm3+的~3F4→~3H6的最大发射截面为8.60×10-21cm~2,且最大增益为6.52 cm-1,能够实现良好的增益效果。最后计算得到TBZT3玻璃中Tm3+之间的能量传递速率WET达到1241.2×10-20cm~3/s,表明在TBZT3中能够获得有效的交叉弛豫过程。(3)系统研究了Tm3+/Yb3+共掺TBZN纤芯玻璃的光谱性能与能量传递机理。研究得到30Te O2-30B2O3-30Zn O-10Na2O-1Tm2O3-2Yb2O3(TBZTY2)纤芯玻璃的1.8μm发射最强,Tm3+/Yb3+离子浓度分别为3.82×1020ions/cm~3与7.63×1020ions/cm~3。TBZTY2中Tm3+的J-O强度参数Ω2为6.37×10-20cm~2,自发辐射跃迁几率A为373.99 s-1。进一步计算了Tm3+与Yb3+的吸收发射截面,其中Yb3+截面要大于Tm3+的,表明Yb3+能够有效的吸收泵浦实现能量传递。研究了Yb3+与Tm3+之间的微观能量传递参数,在TBZTY2中,Yb3+→Tm3+之间的正向传递系数远大于逆向传递系数,且能量传递速率WET达到了2834.1×10-20cm~3/s,说明在Tm3+/Yb3+间发生了有效的能量传递,并计算得到其能量传递效率为55.32%。2.开展了Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺铋酸盐纤芯玻璃配方体系设计优化、制备及光谱性能研究:(1)采用高温熔融法制备了55Bi2O3-35B2O3-5Zn O-5Na2O(简称BBZN)纤芯玻璃,其在2μm附近的折射率约为1.94,大于第三章制备的TBZN纤芯玻璃。该纤芯玻璃的ΔT(150℃)略小于TBZN纤芯玻璃。通过FT-IR与Raman光谱得到了BBZN玻璃中所含有的结构,并得到了纤芯玻璃的最大声子能量(1425 cm-1)。通过XPS分析得到了玻璃中桥氧占比约为88.16%。(2)系统研究了不同浓度Tm3+掺杂BBZN纤芯玻璃的光谱性能与能量传递机理。在55Bi2O3-35B2O3-5Zn O-5Na2O-7Tm2O3(BBZT4,Tm3+浓度约为1.61×1021ions/cm~3)纤芯玻璃中实现了最强的1.8μm发射。计算得到BBZT4样品的Ω2值为5.30×10-20cm~2,略小于TBZT3,说明BBZN纤芯玻璃的结构稳定性略弱于TBZN玻璃,与差热结果相符合。BBZT4中自发辐射跃迁几率A为504.08 s-1,大于TBZT3的值,这与BBZN纤芯玻璃的折射率大于TBZN玻璃有关。其中Tm3+的~3F4→~3H6的最大发射截面为8.93×10-21cm~2,最大增益可达到14.40 cm-1。最后计算得到BBZT4中Tm3+之间的能量传递速率WET为1317.5×10-20cm~3/s,表明在BBZT4中实现了良好的交叉弛豫过程。(3)研究了Tm3+/Yb3+共掺BBZN纤芯玻璃的光谱性能与能量传递机理。在55Bi2O3-35B2O3-5Zn O-5Na2O-1Tm2O3-2Yb2O3玻璃(BBZTY2)中获得了最强1.8μm发射,Tm3+/Yb3+掺杂浓度分别为2.38×1020与4.75×1020ions/cm~3。通过荧光光谱研究了Tm3+/Yb3+之间的发光机理,结果表明Tm3+/Yb3+系统的上转换与下转换发光之间存在竞争关系。计算得到BBZTY2纤芯玻璃中Tm3+的J-O强度参数Ω2为5.51×10-20cm~2,自发辐射跃迁几率A为510.89 s-1。进一步计算得到Yb3+的吸收发射截面大于Tm3+的截面,说明Yb3+能够有效的吸收泵浦源起到敏化剂的作用。在BBZTY2中,Yb3+与Tm3+之间正向传递系数远大于逆向传递系数,能量传递速率WET达到了1774.5×10-20cm~3/s,表明Yb3+/Tm3+间实现了有效的能量传递。最后,计算得到了Yb3+→Tm3+能量传递效率为71.25%。综上,Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺TBZN与BBZN纤芯玻璃有望成为用于1.8μm波段光纤的良好增益介质材料。3.基于速率方程理论构建了Tm3+及Tm3+/Yb3+共掺1.8μm波段激光器数学模型,求解得到光纤参数对泵浦光与信号光功率的影响:(1)系统研究了光纤中泵浦光功率与光纤长度、稀土掺杂浓度的关系。在两种模型中:当光纤长度一定时,泵浦光功率随着稀土掺杂浓度增加逐渐下降;稀土离子掺杂浓度一定时,泵浦光功率随光纤长度增加逐渐下降,泵浦吸收效率明显增大。(2)深入分析了增益光纤长度、稀土掺杂浓度对光纤的信号光功率的影响。在模拟环境下:随着稀土离子掺杂浓度增加信号光功率随之增加,且所需要的最佳光纤长度变短;当稀土离子掺杂浓度不变时,存在最佳长度使得光纤信号光功率达到最大,继续增加光纤长度时信号光功率减弱。最大信号光功率对应的光纤最佳长度与离子浓度相关。在BBZT4与TBZT3光纤中,由于TBZT3中Tm3+的掺杂浓度较低使得TBZT3的最佳长度较BBZT4的偏长。在共掺模型中,TBZTY2的离子浓度更高,因此TBZTY2光纤达到最大信号光功率所需的光纤长度小于BBZTY2光纤。