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纳米颗粒掺杂的高输出功率光纤激光器

发布时间: 2017-09-10 10:24:41   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

  1.5μm ~1.75μm波段及大于2.1μm波段的激光具有人眼安全及高大气透过率(大气窗口)特性,在定向能激光领域有着很好的应用潜力。近日,美国海军研究实验室、陆军研究实验室、克莱门森大学等机构的科研人员联合发表了一项研究成果,利用纳米颗粒(NP)掺杂技术成功制备掺饵(Er)和掺钬(Ho)光纤,并分别实现了高功率、高效率的1.65μm和2.09μm人眼安全波长激光输出。 

  传统的纤芯稀土离子掺杂方法是将稀土离子盐溶液(如氯化饵ErCl3)灌入多孔硅层基底中,随后干燥并固化成为纤芯。此种方法的缺陷是无法控制稀土离子的分子环境,稀土离子(如Er3+)容易聚集在一起,离子间距过近会加剧离子间的相互作用,在激光能量转换过程中导致猝灭等不良效应,严重影响着激光效率。 

  NP掺杂法是将稀土离子“封装”在合适的纳米颗粒基底中,纳米颗粒可将掺杂稀土离子从石英玻璃中分离出来,因此能够降低上述不良效应。在波长转换过程中,由于受激辐射和非受激辐射同时存在,导致稀土离子在高声子能量基底中的荧光寿命变短,因此基底应选用声子能量小于石英的材质,但这种替代玻璃的制备困难、损耗高,NP掺杂技术也可解决此问题。选用声子能量约为350cm-1的氟化镧(LaF3)、声子能量约430cm-1的氧化镥(Lu2O3)、声子能量为870cm-1的氧化铝(Al2O3)作为基底介质。 

  另一项导致损耗的原因是氢氧根(OH-)离子吸收,这对掺Ho光纤而言尤为严重。1.38μm激光的OH-吸收系数是0.06dB/m/ppm,此外OH-易与硅基形成Si-OH键,将Ho3+离子激发能量吸收,引起离子猝灭,因此在掺Ho光纤制备中,需要采取大量的干燥措施来降低OH-离子含量。 

  此研究采用一种共同沉淀技术,从Al3+硝酸水合物(浓度为99.999%)和ErCl3(浓度为99.9%)中制备了掺Er的Al2O3纳米颗粒。首先将前驱体溶液中的Al和Er的摩尔浓度比控制在10:1到200:1之间;其次在100ºC条件下将前驱体溶液与聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面活性剂水浴加热,并逐滴加入氢氧化钠(NaOH)控制溶液pH值为9.5;悬浮液在160ºC高温高压灭菌器中放置17个小时形成凝胶;将悬浮液离心后经去离子水清洗四次、甲醇清洗两次,最终制成掺Er纳米颗粒。 

  掺Ho的LaF3纳米颗粒的制备方法与上述类似,采用浓度为99.999%的Lu3+硝酸水合物和浓度为99.9%的氯化钬(HoCl3)共同沉淀,Lu3+和Ho3+的摩尔浓度比为25:1,随后步骤相同。 

  纳米颗粒溶液掺杂到纤芯材料中,经过氧、氯环境下干燥,并经1100ºC高温煅烧,最终形成纤芯预制棒。Er预制棒的折射率和相应荧光强度剖面分布如图12所示,纳米颗粒掺杂浓度约为4 wt%。 

  

  图12  掺Er预制棒的折射率和相应荧光强度剖面分布

  基于NPEr单模光纤构建了主振荡功率放大器(MOPA),泵浦光波长为1476nm,功率为0~300mW可调;信号光波长为1560nm,功率为7mW,斜率效率超过74%。图13所示为多种配比的NP掺Er单模光纤激光器或放大器的斜率效率和Er3+离子吸收峰值的关系图。图中圈出部分为Al:Er摩尔浓度比为50:1的前驱体溶液对应实验结果。 

  

  图13  NP掺Er单模光纤的吸收光谱,及斜率效率与1530nm吸收峰值的关系图

  基于NP掺Er双包层光纤端面泵浦实现了数瓦级的功率输出。光纤的泵浦包层为八边形结构(标记为DC),用以增大模式交叠与泵浦均匀性,光纤的芯层直径为23μm,八边形包层的对边间距为127μm,如图14所示。 

  

  图14  具有八边形包层结构的NP掺Er光纤,其芯层/包层直径分别为23/127μm。 

  光纤涂覆有低折射率聚合物涂层,以保证包层数值孔径NA=0.46。实验光路原理如图15所示,泵浦光选用1532nm的IPG激光器,反射率为99.5%的1605nm光纤布拉格光栅(FBG)与增益纤的一端融合,并用一个带通滤光器隔离泵浦光和输出激光。考虑涂覆层损耗后的输出斜率效率为59%,如图16。这是已有报导的NP掺Er激光器最大输出功率和最高斜率效率。 

  

  图15  包层泵浦NP掺Er光纤激光实验光路

  

  图16  NP掺Er光纤光谱及斜率效率

  采用图15光路构建NP掺Ho单模激光器,泵浦光为1.95μm掺铥光纤激光器,谐振腔由2.09μm高反射率FBG和4%菲涅尔反射率的光纤端面构成,用一个双色镜分离泵浦光和激光。激光输出波长为2.09μm, LaF3纳米颗粒掺Ho光纤的斜率效率达82.3%, Lu2O3纳米颗粒掺Ho光纤的斜率效率达85.2%,如下图17所示。这是首次报导的NP掺Ho光纤激光器,未来将继续研究保持高效率同时提高NP浓度。 

  

  图17  Ho:LaF3 NP光纤激光器效率为82.3%,Ho:Lu2O3 NP激光器效率为85.2%

  若凡编译自Nanoparticle doping for high power fiber lasers at eye-safer wavelengths 

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