一种中红外增益硫化物光纤及制备方法技术

一种中红外增益硫化物光纤及制备方法，属于激光增益光纤及制备方法。本发明专利技术光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga-Sb-As-S玻璃，光纤包层材料为Ga-Sb-As-S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率；Ga-Sb-As-S玻璃的化学组成式为Ga(1-x-y-z)SbxAsySz，其中x＝0.26～0.32，y＝0.02～0.06，z＝0.55～0.65；所述稀土离子为Dy3+,Er3+,Tm3+中的一种，掺杂稀土离子的摩尔浓度为0.05％～1％。光纤采用棒管法制备，即将纤芯玻璃和包层玻璃分别制作成细棒和套管，然后将纤芯玻璃细棒插入包层玻璃套管，拉制成最终尺寸的光纤。本发明专利技术增益硫化物光纤在2.5～5μm具有强的发光，发光量子效率大于70％，可作为低成本、紧凑型中红外光纤激光器的核心增益介质。

【技术实现步骤摘要】
一种中红外增益硫化物光纤及制备方法
本专利技术涉及一种激光增益光纤及制备方法，特别是一种中红外增益硫化物光纤及制备方法。
技术介绍
2.5～5μm中红外激光器在红外对抗、大气传感、环境监测和生物医学等领域均具有重要的应用，在过去几十年受到了广泛关注。目前，光学参量振荡器(OPO)和量子级联激光器(QCL)是使用较广泛的中红外激光光源。然而，OPO系统复杂，QCL存在激光稳定性问题，并且二者成本都比较高，这些缺点限制了其在实际中的应用。基于激活离子掺杂增益介质的固体激光器通常具有集成度高、效率高和成本低等优点，近年来备受关注。目前，中红外固体激光器面临的主要问题之一是缺少高质量的增益介质。在过去二十年间，研究人员对晶体和玻璃增益介质做了大量的研究和评估，并在稀土掺杂和过渡金属掺杂的晶体材料中获得了中红外2～5μm中红外激光输出。与晶体介质相比，玻璃具有易制备和易成型等优点，因此更利于制备高效率和低成本的激光器。硫化物玻璃具有较低的声子能量，以此类玻璃为基质的稀土掺杂增益介质被认为是一类极具潜力的中红外激光材料。然而现有稀土掺杂硫化物光纤的发光强度较弱，发光量子效率较低(<50％)，很难获得实际应用。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种中红外增益硫化物光纤及制备方法，解决现有稀土掺杂硫化物光纤在2.5～5μm中红外波段的发光强度弱或不发光、发光量子效率低的问题。本专利技术的目的是这样实现的：采用如下技术方案：中红外增益光纤包括光纤芯和光纤包层；光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga-Sb-As-S玻璃，光纤包层材料为Ga-Sb-As-S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率。作为优选，所述的Ga-Sb-As-S玻璃的化学组成式为Ga(1-x-y-z)SbxAsySz，其中x＝0.28～0.32，y＝0.02～0.06，z＝0.55～0.65。作为优选，所述的稀土离子为Dy3+,Er3+,Tm3+中的一种。作为优选，所述的掺杂稀土离子的摩尔浓度为0.05％～1％。中红外增益硫化物光纤的制备方法，该方法为棒管法，包括下述步骤：(4)将光纤芯玻璃棒在软化温度附近拉制成玻璃细棒；(5)将光纤包层玻璃棒沿中心轴钻孔，获得玻璃套管，并将玻璃套管内壁抛光；(6)将步骤(1)所得玻璃细棒插入步骤(2)所得玻璃套管中，在玻璃软化温度即310℃-320℃拉制成光纤，即得本专利技术所述中红外增益光纤。所述光纤芯玻璃棒和包层玻璃棒采用制备硫系玻璃常用的真空熔融淬冷法制备。有益效果，由于采用了上述方案，本专利技术采用的Ga-Sb-As-S光纤芯基质玻璃中含有大量的重金属Sb，该元素参与了玻璃网络的形成，使此玻璃的有效声子能量(～300cm-1)比普通硫化物玻璃(～450cm-1)显著降低，从而大幅降低掺杂稀土离子能级的多声子弛豫速率，提高稀土离子的中红外发光强度和量子效率。本专利技术增益光纤在2.5～5μm具有强的发光，发光量子效率大于70％。可作为低成本、紧凑型中红外光纤激光器的核心增益介质。解决了现有稀土掺杂硫化物光纤在2.5～5μm中红外波段的发光强度弱或不发光、发光量子效率低的问题，达到了本专利技术的目的。优点：与现有稀土掺杂硫化物玻璃光纤相比，本专利技术增益光纤在2.5～5μm中红外波段发光强、发光量子效率高。附图说明：图1是本专利技术的0.05％Dy3+掺杂Ga0.08Sb0.32As0.05S0.55/Ga0.08Sb0.31As0.06S0.55光纤的近红外光学照片。图2是本专利技术的0.05％Dy3+掺杂Ga0.08Sb0.32As0.05S0.55/Ga0.08Sb0.31As0.06S0.55光纤在1.32μm激发下的中红外发射光谱。图3是本专利技术的1％Er3+掺杂Ga0.06Sb0.30As0.04S0.60/Ga0.06Sb0.28As0.06S0.60光纤在0.98μm激发下的中红外发射光谱。图4是本专利技术的0.2％Tm3+掺杂Ga0.04Sb0.29As0.02S0.65/Ga0.04Sb0.28As0.03S0.65光纤在0.81μm激发下的中红外发射光谱。具体实施方式中红外增益光纤包括光纤芯和光纤包层；光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga-Sb-As-S玻璃，光纤包层材料为Ga-Sb-As-S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率。作为优选，所述的Ga-Sb-As-S玻璃的化学组成式为Ga(1-x-y-z)SbxAsySz，其中x＝0.28～0.32，y＝0.02～0.06，z＝0.55～0.65。作为优选，所述的稀土离子为Dy3+,Er3+,Tm3+中的一种。作为优选，所述的掺杂稀土离子的摩尔浓度为0.05％～1％。中红外增益硫化物光纤的制备方法，该方法为棒管法，包括下述步骤：(1)将光纤芯玻璃棒在软化温度附近拉制成玻璃细棒；(2)将光纤包层玻璃棒沿中心轴钻孔，获得玻璃套管，并将玻璃套管内壁抛光；(3)将步骤(1)所得玻璃细棒插入步骤(2)所得玻璃套管中，在玻璃软化温度即310℃-320℃拉制成光纤，即得本专利技术所述中红外增益光纤。所述光纤芯玻璃棒和包层玻璃棒采用制备硫系玻璃常用的真空熔融淬冷法制备。下面将通过实施例进一步说明本专利技术的实质性特点和显著进步，但本专利技术并非仅限于所举之例。实施例1：0.05％Dy3+掺杂Ga0.08Sb0.32As0.05S0.55/Ga0.08Sb0.31As0.06S0.55光纤制备采用制备硫系玻璃常用的真空熔融-淬冷法制备直径为10mm的0.05％Dy3+掺杂Ga0.08Sb0.32As0.05S0.55纤芯玻璃棒和直径10mm的Ga0.08Sb0.31As0.06S0.55包层玻璃棒。将纤芯玻璃棒在320℃拉制成直径为2.3mm的玻璃细棒；将光纤包层玻璃棒沿中心轴钻孔，获得内径为2.3mm的玻璃套管，并将玻璃套管内壁抛光；将所得直径为2.3mm玻璃细棒插入玻璃套管中，在320℃拉制成直径为300μm的光纤，即得本专利技术所述中红外增益光纤，如图1所示。测试结果显示：光纤在2.92μm,3.58μm和4.41μm处具有较强的发光，如图2所示。根据Judd-Ofelt理论计算，材料在上述波长处的发光量子效率分别为85％，78％和73％。实施例2：1％Er3+掺杂Ga0.06Sb0.30As0.04S0.60/Ga0.06Sb0.28As0.06S0.60光纤制备采用制备硫系玻璃常用的真空熔融-淬冷法制备直径10mm的1％Er3+掺杂Ga0.06Sb0.30As0.04S0.60纤芯玻璃棒和直径10mm的Ga0.06Sb0.28As0.06S0.60包层玻璃棒。将纤芯玻璃棒在315℃拉制成直径为2.3mm的玻璃细棒；将光纤包层玻璃棒沿中心轴钻孔，获得内径为2.3mm的玻璃套管，并将玻璃套管内壁抛光；将所得直径为2.3mm玻璃细棒插入玻璃套管中，在315℃拉制成直径为300μm的光纤，即得本专利技术所述中红外增益光纤。测试结果显示：光纤在2.77μm处具有较强的发光，如图3所示。根据Judd-Ofelt理论计算，材料在上述波长处的发光量子效率为88％。实施例3：0.2％Tm3+掺杂Ga0.04Sb0.29As0.02S0.65/Ga0.04Sb0.28As0.03S0.65光纤制备采用制备硫系玻璃常本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种中红外增益硫化物光纤，其特征是：中红外增益光纤包括光纤芯和光纤包层；光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga‑Sb‑As‑S玻璃，光纤包层材料为Ga‑Sb‑As‑S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种中红外增益硫化物光纤，其特征是：中红外增益光纤包括光纤芯和光纤包层；光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga-Sb-As-S玻璃，光纤包层材料为Ga-Sb-As-S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率；所述的光纤芯材料和光纤包层材料的Ga-Sb-As-S玻璃的化学组成式为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨安平，杨志勇，张鸣杰，张斌，翟程程，祁思胜，唐定远，
申请(专利权)人：江苏师范大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32