带过渡金属离子的宽谱带源制造技术

一种宽谱带源，包括配用所述宽谱带源的有关装置，它在来自被掺入一个或多个材料主体的一种或多种过渡金属离子的组合中，利用了至少一个，较佳两个或多个宽广的荧光谱。所述主体选自结晶体、玻璃陶瓷、玻璃或有机聚合物材料。所述宽谱带源或装置能产生极宽的荧光谱。所述组合谱较佳地延伸约５００ｎｍ－６００ｎｍ－７００ｎｍ的波长范围，其强度在一部分近红外区范围内不偏离平均强度约１０ｄＢ以上。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
优先权要求本申请要求于2001年5月3日提交的同一标题的美国临时申请No.60/288,518的优先权，其内容通过引用包括在这里。背景在若干行业的众多应用场合中，包括光子光学传输(含光纤)与生物成像系统，一般使用宽谱带源，尤其在约700nm～1800nm的红外区内。宽谱带源具有提供相对宽的荧光半宽度的用途，理想地组合了高亮度即光强度、平坦谱响应与宽的带宽等特性，覆盖了该谱的所有部分，制作或操作费用低廉，而且在物理上坚固，光学上稳定。目前用若干不同种类的技术建造光发射源。第一类技术是热的即白光(如钨丝)源，其谱响应极平坦，但与单模光纤耦合时，强度相对低。第二类也许最常用的技术是由边缘发光二极管(ELED)源作输出的光纤，通常组合一个以上装置的输出来产生宽谱输出。第三类技术应用掺稀土光纤放大式自发射(ASE)源。最近开发的第四类技术，根据光纤与来自激光源的超短脉冲之间的非线性互作用而产生连续谱。然而，目前这些技术在某些方面不能满足许多或全部期望的宽谱带源参数。热的即白光源所实现的低光强使它们失去了许多应用机会，因其相对差的动态范围最终引起差的信噪比，在许多应用场合要求长的求均时间。这一具体缺点在基于半导体ELED与掺稀土光纤ASE源的技术中虽不是个大问题，但信噪比的任何改善都要以有限的带宽为代价。第二类技术典型的商业装置，要用四个ELED产生跨越1100～1600nm区域的输出。虽然平均强度远优于热白光基源，但在该源的整个输出谱内，其发射谱具有一般大于10dB的明显强度脉动。第三类技术即ASE源，例如像铒ASE源，虽然强度较高而且谱特性相当平坦，但只在极窄的有限带宽约30～40nm内。虽能设想出多种ELED与光纤ASE源的组合，但为了扩展其有用带宽，显然要牺牲谱平坦度。最后，尽管在选择的光纤中超短脉冲互作用的连续光谱的产生已受人注意，但这类技术要求极昂贵的脉冲源，如飞(10-15)秒激光技术，再说作为替代源，脉冲源可能不够耐用、稳定或密致。本专利技术针对每种情况，能比这类技术提供各种优点。本专利技术在一个方面在覆盖谱的近红外部分带宽内(～700-1800nm)，组合了诸如ELED/光纤ASE源等连续波源的具有的白光源平坦度的亮度和相干性。在另一个方面，本专利技术的装置在以全光纤为基的技术中(如应用以光纤为基的元件的二极管泵运)具有稳定性、耐用性与密致性，而且制造成本比超短脉冲源低。
技术实现思路
根据本专利技术，我们以强度、带宽和相对平坦或水平远优于任一目前技术所能实现的谱荧光源来显示一新颖宽谱带源的潜力。在一实施例中，本专利技术围绕一宽谱带源，它包括至少一个含至少一种或多种过渡金属类离子物质的材料主体。该源在以光学方法赋能时，在近红外区产生带宽至少为150～250或300nm的宽输出谱。在两个或多个主体即装置一起使用时，该源在近红外区内产生相对同等级强度的宽组合输出谱。源主体包括某种选自结晶体、玻璃陶瓷、玻璃和有机聚合物基质的材料。较佳地，源的主体用透明的镁橄榄石或镓酸盐尖晶石等玻璃陶瓷材料制造。过渡金属离子较佳地选自Co、Cu、Cr、Fe、Mn、Ni、Sc、Ti、V、Zn等金属，所述过渡金属离子较佳地选自Co+3、Cr+3、Cr+4、Ni+2、Ti+3与V+2。宽谱带源一实施例产生或发射的组合谱，在约700nm～1800nm范围的几段内，其强度大体上不偏离平均强度约10dB左右；更佳地，所述强度不偏离所述平均强度约5dB左右。较佳地，该源在约500～700nm到980nm或1050nm到1580nm之间产生相对同等级的组合输出谱。该宽谱带源在所述主体内还包括稀土离子，其中所述稀土离子包括Er、Tm、Pr或Nd。本专利技术还包括一个配用具有宽带的宽谱带源材料的装置。该装置包括掺有过渡金属离子的材料，在至少150或180～250或300nm范围内呈现相对宽的荧光半宽度。或者，在组合两种或多种宽谱带源材料时，该装置可发射组合输出谱，在约700或800nm～约1700或1800nm约1000nm的可能范围内，其强度不偏离平均强度大约10dB左右。该装置可以是各种光学元件，如光纤、波导、放大器或光赋光能器(激光器)。Beall等人的美国专利No.6,297,179详细讨论了光纤、放大器与赋能器(激光器)，其内容通过引用包括在这里。该装置还可用于光学相干层析X射线摄影求(OCT)或光学相干区域反射测量仪(OCDR)。本专利技术的另一个方面围绕宽谱带源的制作方法。该法包括提供含过渡金属离子的材料，把所述材料形成一光学元件，对所述材料中的过渡金属赋能，发射宽广的组合荧光，其强度在大于或等于约700nm的谱区内不偏离平均强度约10dB左右。该法还包括提供两个或多个含一种以上过渡金属类离子物质的主体。另一宽谱带源实施例还可用至少两类不同的掺有同类过渡金属离子的材料主体制作。本专利技术也包括在一装置中产生光学发射的方法，包括提供含至少两种过渡金属离子物质的主体，对主体赋能，以在近红外区内产生相对同等级强度的相对宽广的组合输出谱。该法还包括在约900～1560nm的谱范围之间产生强度不偏离平均强度约10dB左右的发射。该法还包括提供一种选自结晶体、玻璃陶瓷、玻璃与有机聚合物基质的材料制作的主体。较佳地，主体用玻璃陶瓷材料制作，该材料可掺有选自Co+3、Cr+3、Cr+4、Ni+2、Ti+3与V+2的过渡金属离子。附图说明图1以比较方式示出掺Cr与Ni的光纤的各自的发射光谱。图2按本专利技术一实施例示出组合输出谱的控制，其方法是对根据图1的光纤中每个过渡金属离子可变地调节相对泵功率，以实现优化的组合谱。图3示出本专利技术一实施例与两例当前光发射技术作比较的输出谱。图4以比较方式示出本专利技术应用掺Cr与Ni光纤的诸实施例的两个输出光谱，光纤在980nm和820nm赋能，以略微不同的强度泵运。图5A示意表示泵分光耦合器装置。图5B示意表示另一个激光装置。图6示出本专利技术另一实施例的荧光谱，其中对两类不同的材料主体引入同类过渡金属离子。图7示出根据一合成实施例在镁橄榄石玻璃陶瓷中掺Cr与Ni的组合谱，Cr含量约0.10wt.％。图8示出根据一合成实施例在镁橄榄石玻璃陶瓷中掺Cr与Ni的组合谱，Cr含量约0.05wt.％。图9示出本专利技术掺Ni玻璃陶瓷光纤的输出谱，谱在波长约1250nm处有一中央峰值，全宽度半最大值(FWHM)约250nm。图10示意表示可用于光学相干层析X射线摄影术(OCT)或光学相干区域反射测量仪(ODCR)的以光纤为基的装置。图11示出本专利技术掺Cr+3玻璃光纤的荧光谱，谱宽度超过200nm，在约800nm处有谱最大值。详细描述根据本专利技术，可在单一材料主体内或通过组合来自例如多根光纤或其它可引入两个或多个宽荧光谱的装置的输出，实现覆盖大的带宽而脉动小的宽平坦的源。这类谱从掺入材料主体的一种或多种过渡金属类离子导出，所述材料主体用选自结晶体、玻璃陶瓷、玻璃和有机聚合物基质的材料制作，在其内也可掺入具有光学功能的稀土金属离子。本专利技术的一个方面是较佳地在近红外电磁区域的关键部分内，运作过渡金属离子变化的光谱产生宽度异常宽的谱。一种宽谱带源和一些辅助装置(如光波导、光纤或放大器)能产生极宽的红外波长的荧光谱，谱范围约为从500nm直到约1550nm。虽然特本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种包括至少一个主体的宽谱带源，所述主体含一种或多种过渡金属离子或稀土金属离子，其特征在于所述源在以光学方法被赋能时，在近红外区产生带宽至少为１５０～２５０ｎｍ的宽输出谱。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：GH比尔，NF波雷利，KE唐内，BN萨姆森，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]