高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件的制作方法

本发明涉及光纤及光纤激光器领域，具体涉及一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件。

背景技术：

2μm波段激光位于人眼安全波长范围内且处于大气光传输的低损耗窗口，包含了1940nm附近的水吸收峰，在激光雷达、激光探测、激光医疗和环境监测等许多领域有重要应用价值。此外，2μm波段激光也是中红外激光(3-5μm)的理想泵浦源。目前，2μm波段光纤激光器已成为激光技术研究领域中的热点之一。

产生2μm波段发光的稀土离子主要有tm³⁺和ho³⁺，通过在玻璃中溶解高浓度的tm³⁺和/或ho³⁺，进而制备出高增益的2μm光纤，是2μm波段光纤激光器的核心材料。石英玻璃存在固有的分相区，其稀土离子溶解度低(一般小于2wt.％)，导致其在2μm波段的增益系数较低(通常≤1db/cm)。而多组分玻璃具有高的稀土离子溶解度，通常用来制备高增益光纤。其中，锗酸盐玻璃具有高的红外透过性能和较低的声子能量，是理想的中红外光纤激光基质材料。特别是用于红外透过窗口材料的钡镓锗玻璃(bao-ga2o3-geo2)，已在军事和民用上获得了实际的应用。但是锗酸盐玻璃易析晶，特别是在采用传统的管棒法拉丝时，纤芯玻璃会经过两次热拉过程，更容易析晶，导致光纤损耗大，从而降低了光纤的增益。此外，锗酸盐玻璃的软化温度和石英玻璃的软化温度相差较大，导致锗酸盐玻璃光纤很难与标准的石英光纤进行熔接，不利于光纤激光器的全光纤化，从而会降低激光器的稳定性、斜率效率和输出功率等。

纤芯熔融法是指当包层玻璃开始拉丝时，纤芯处于熔融状态，并随着包层玻璃一起成丝快速冷却至室温，它要求包层玻璃具有优异的热拉性能和光学性能。纤芯熔融法是一种广泛适用的制备复合玻璃光纤的技术，已成功通过此技术制备出金属-玻璃复合光纤、半导体-玻璃复合光纤、玻璃-玻璃复合光纤、纳米晶-玻璃复合光纤的前驱体光纤、金属-玻璃-半导体光电光纤等复合玻璃光纤。但未见采用纤芯熔融法制备高掺稀土锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件的报道。

技术实现要素：

基于此，本发明的目的在于提供一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其不会出现析晶情况，具有优异的机械性能，能与标准的石英光纤熔接，且在2μm波段具有高的单位增益(最大单位增益＞2.5db/cm)，同时提供基于此复合玻璃光纤构建的器件，具体可为全光纤的单频光纤激光器和锁模光纤激光器。

具体技术方案如下：

一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5db/cm。

本发明的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的器件。

本发明的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的全光纤的单频光纤激光器。

本发明的另一目的在于提供基于如上所述复合玻璃光纤构建的全光纤的锁模光纤激光器。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

本发明采用纤芯熔融法制备复合玻璃光纤，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子锗酸盐玻璃，可实现高效的2μm波段发光；包层为石英玻璃，具有优异的热拉特性和光学性能，且能保证在拉丝时，锗酸盐玻璃处于熔融态，同时，发明人发现，当采用纤芯熔融法制备复合玻璃光纤，其锗酸盐玻璃纤芯能够从熔融态快速冷却至室温，从而跃过了析晶区，制备出无析晶的复合玻璃光纤。由此，采用纤芯熔融法可解决锗酸盐玻璃在采用传统的管棒法拉制光纤时易析晶的问题，且制备的复合玻璃光纤在2μm波段具有高的单位增益，能与标准的石英光纤熔接。可用于构建全光纤的线性短腔，分别实现2μm波段单频光纤激光和锁模光纤激光输出，直接输出的2μm波段的单频激光的功率大于100mw，斜率效率＞20％；直接输出的2μm波段的锁模激光的重复频率＞25mhz，脉宽＜100ps。

附图说明

图1为实施例1中基于制备的复合玻璃光纤构建的全光纤单频光纤激光器的光路图；

图2为实施例1中基于制备的复合玻璃光纤构建的全光纤锁模光纤激光器的光路图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述，但本发明的实施方式不限于此，对未特别说明的工艺参数，可参照常规技术进行。

本发明的实施例提供一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤，其包层为石英玻璃，纤芯前驱体为高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃，采用纤芯熔融法制备，所得复合玻璃光纤无析晶，在2μm波段的最大单位增益＞2.5db/cm。

进一步地，所述高掺杂稀土离子的多组分锗酸盐玻璃采用熔融-退火法制备，然后采用机械冷加工成细棒状，并经物理、化学抛光后作为所述纤芯前驱体，与所述石英玻璃管组装成光纤预制棒，并拉制，得到所述复合玻璃光纤。

进一步地，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1500～1700℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以20～30℃/min的速率升温至1800～2000℃，以200～400m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。由于锗酸盐玻璃与石英玻璃的软化温度相差很大，通过对拉丝工艺进行合理控制，低温快速拉丝，减少光纤预制棒在高温区停留的时间，从而有效控制拉丝过程中包层元素扩散进入到纤芯以及避免纤芯发生变形。

进一步地，所述复合玻璃光纤拉制过程中，先将拉丝炉升至1580～1620℃，然后将光纤预制棒置于所述拉丝炉，再以24～26℃/min的速率升温至1880～1920℃，以280～320m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。

进一步地，所述多组分锗酸盐玻璃包括氧化物组分和稀土离子的氧化物组分；所述氧化物组分包括bao、ga2o3和geo2，以及la2o3和/或nb2o5用以调节玻璃的物化性能；所述稀土离子的氧化物组分为tm2o3、tm2o3/yb2o3、tm2o3/ho2o3、ho2o3/yb2o3、er2o3/tm2o3、er2o3/ho2o3、nd2o3/ho2o3、bi2o3/tm2o3、bi2o3/ho2o3、nd2o3/ho2o3/yb2o3、tm2o3/ho2o3/yb2o3、cr2o3/tm2o3/ho2o3、er2o3/tm2o3/ho2o3中的任一种。

进一步地，所述多组分锗酸盐玻璃中，所述稀土离子的氧化物组分占所述氧化物组分的比例为＞5wt.％，高掺杂稀土发光离子是实现高增益的前提，这也是前述“高掺杂”的掺杂浓度要求。其它激活离子同样适用，如用于1μm波段激光的yb³⁺和nd³⁺，用于1.5μm波段激光的er³⁺，用于近红外宽带发光的主族金属元素bi和te，过渡金属元素cr、ni以及mn。

进一步地，所述氧化物组分至少包括nb2o5，nb2o5占所述氧化物组分的比例为2.5～7.5wt.％。通过添加nb2o5来控制基质玻璃中非桥氧和桥氧的比例来调控玻璃的网络结构，从而提高稀土离子在基质玻璃中的溶解度和分散性，实现高效发光。

更进一步地，如上所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤的制备方法包括如下步骤：

(1)采用传统的熔融-退火的方法熔制大块稀土掺杂锗酸盐玻璃，按比例称取氧化物组分原料baco3、ga2o3和geo2，并添加la2o3和/或nb2o5，以及稀土离子的氧化物组分tm2o3、tm2o3/yb2o3、tm2o3/ho2o3、ho2o3/yb2o3、er2o3/tm2o3、er2o3/ho2o3、nd2o3/ho2o3、bi2o3/tm2o3、bi2o3/ho2o3、nd2o3/ho2o3/yb2o3、tm2o3/ho2o3/yb2o3、cr2o3/tm2o3/ho2o3、er2o3/tm2o3/ho2o3中的任一种，混合均匀，加入到坩埚中，置于高温炉中熔制，成型后精密退火得大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃；

(2)采用机械冷加工的方法将大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃加工成玻璃细棒，并经物理和化学抛光后，与石英玻璃管组装成光纤预制棒；

(3)将组装好的光纤预制棒悬挂在商用的光纤拉丝塔，按照如上所述的所述拉制工艺拉制复合玻璃光纤。

更更进一步地，步骤(1)中所述熔制过程中采用“反应气氛法”除水。

更更进一步地，步骤(1)中所述坩埚为铂金坩埚；及/或，所述熔制的温度为1300～1500℃，时间为3～7h。

更更进一步地，步骤(1)中所述熔制过程中，进行所述除水时将铂金坩埚换成氧化铝坩埚。

更更进一步地，步骤(2)中所述玻璃细棒的直径为3～5mm。

更更进一步地，步骤(2)中所述石英玻璃管的一端封闭。

更更进一步地，步骤(3)中所述拉制过程中，对所述光纤预制棒进行抽真空，除了减少芯包间的空气，还可以提供纤芯一个负压环境，以保证纤芯具有良好的圆形度和连续性。

本发明的实施例还提供一种组件包括如上所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤的器件。进一步地，所述器件为激光器件。

具体地，本发明的一实施例提供一种全光纤的单频光纤激光器，其组件包括如上所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤、光纤光栅、波分复用器(wdm)、谐振腔和隔离器；

所述复合玻璃光纤的两端分别与所述光纤光栅熔接构成线性短腔，泵浦光经所述波分复用器(wdm)后从低反的光纤光栅进入所述谐振腔，受激辐射产生的光子经所述谐振腔不断振荡放大后产生的2μm波段单频激光经波分复用器(wdm)后，再经隔离器输出。

可以理解地，所述光纤光栅包括低反的光纤光栅和高反的光纤光栅；所述“低反”是指对中心波长的反射率较低，一般为40～85％，所述“高反”是指对中心波长的反射率较高，一般大于99％。

进一步地，所述的全光纤的单频光纤激光器的直接输出的2μm波段的单频激光的功率大于100mw，斜率效率＞20％。

本发明的另一实施例提供一种全光纤的锁模光纤激光器，其组件包括如上所述的高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤、窄带光栅、可饱和吸收体、波分复用器(wdm)和谐振腔；

所述复合玻璃光纤的一端与窄带光栅熔接，另一端紧贴可饱和吸收体，构成线性短腔，泵浦光经所述波分复用器(wdm)后从所述窄带光栅端进入所述谐振腔，受激辐射产生的光子经所述谐振腔不断振荡放大后产生的2μm波段锁模激光经波分复用器(wdm)后输出。

可以理解地，所述窄带光栅的“窄带”是指光纤光栅的带宽较窄，其3db带宽≤0.1nm。

进一步地，所述的全光纤的锁模光纤激光器的直接输出的2μm波段的锁模激光的重复频率＞25mhz，脉宽＜100ps。

以下为具体的实施例。

实施例1

本实施例为一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件。

(一)制备增益光纤

(1)采用传统的熔融-退火的方法熔制大块稀土掺杂锗酸盐玻璃，按比例称取高纯(≥99.99％)原料baco3、ga2o3、geo2、nb2o5以及稀土氧化物tm2o3，其中tm2o3占玻璃氧化物原料的比为6wt.％，nb2o5占玻璃氧化物原料的比为7.5wt.％，混合均匀，加入到铂金坩埚中，在1400℃熔制5h，成型后精密退火得大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃；

(2)采用机械冷加工的方法将大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃加工成玻璃细棒，细棒的直径为3mm，并经物理和化学抛光后，与石英玻璃管组装成光纤预制棒；

(3)将组装好的光纤预制棒悬挂在商用的光纤拉丝塔，按照预设的升温制度拉制复合玻璃光纤。先将拉丝炉升至1600℃，然后下降预制棒使其处于高温区，再以25℃/min的速率升温至1900℃，以300m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。制备的复合玻璃光纤无析晶，在1950nm处的单位增益为3.8db/cm。

(二)构建光纤激光器

基于(一)制备的复合玻璃光纤构建全光纤单频光纤激光器，光路图如附图1所示，其中11为1568nm的泵浦源，12为1550/1950的wdm，13为低反的光纤光栅，14为基于(一)制备的复合玻璃光纤，15为高反的光纤光栅(在1950nm的反射率为99.9％)，16为1950nm隔离器，17为激光输出端；将复合玻璃光纤的两端分别与光纤光栅熔接构成线性短腔，1568nm泵浦光经1550/1950的wdm后从低反(在1950nm的反射率为50％)的光纤光栅进入谐振腔，受激辐射产生的光子经谐振腔不断振荡放大后产生的1950nm单频激光经1550/1950的wdm后，再经1950nm的隔离器输出，直接输出的1950nm的单频激光的功率为230mw，斜率效率为35％；

基于(一)制备的复合玻璃光纤构建全光纤锁模光纤激光器，光路图如附图2所示，其中21为1568nm泵浦源，22为1550/1950的wdm，23为窄带光栅，24为基于(一)制备的复合玻璃光纤，25为标准的石英光纤，26为可饱和吸收体，27为锁模激光输出端；将复合玻璃光纤的一端与窄带光栅(在1950nm处的反射率为50％，3db带宽为0.09nm)熔接，另一端紧贴可饱和吸收体(调制深度12％，恢复时间为10ps，饱和积分通量为65μj/cm²，在1950nm处的非饱和反射率和群延迟色散分别为86％和890fs²)，构成线性短腔，1568nm泵浦光经1550/1950的wdm后从光纤光栅端进入谐振腔，受激辐射产生的光子经谐振腔不断振荡放大后产生的1950nm的锁模激光经1550/1950的wdm后输出，直接输出的1950nm的锁模激光的重复频率为125mhz，脉宽为88ps。

实施例2

本实施例为一种高增益的稀土掺杂锗酸盐玻璃芯复合玻璃光纤及器件。

(一)制备增益光纤

(1)采用传统的熔融-退火的方法熔制大块稀土掺杂锗酸盐玻璃，按比例称取高纯(≥99.99％)原料baco3、ga2o3、geo2、la2o3、nb2o5以及稀土氧化物tm2o3和ho2o3，其中tm2o3和ho2o3占玻璃氧化物原料的比为5wt.％和7.5wt.％，nb2o5占玻璃氧化物原料的比为2.5wt.％，混合均匀，加入到铂金坩埚中，在1400℃熔制5h，成型后精密退火得大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃；

(2)采用机械冷加工的方法将大块的高掺杂稀土锗酸盐玻璃加工成玻璃细棒，细棒的直径为5mm，并经物理和化学抛光后，与石英玻璃管组装成光纤预制棒；

(3)将组装好的光纤预制棒悬挂在商用的光纤拉丝塔，按照预设的升温制度拉制复合玻璃光纤。先将拉丝炉升至1600℃，然后下降预制棒使其处于高温区，再以25℃/min的速率升温至1900℃，以300m/min的速率快速拉丝，拉丝过程中，对光纤预制棒进行抽真空。制备的复合玻璃光纤无析晶，在2050nm处的单位增益为4db/cm。

(二)构建光纤激光器

基于(一)制备的复合玻璃光纤构建全光纤单频光纤激光器：将复合玻璃光纤的两端分别与光纤光栅熔接构成线性短腔，1570nm泵浦光经1550/2050的wdm后从低反(在2050nm的反射率为70％)的光纤光栅进入谐振腔，受激辐射产生的光子经谐振腔不断振荡放大后产生的2050nm单频激光经1550/2050的wdm后，再经2050nm的隔离器输出，直接输出的2050nm的单频激光的功率为300mw，斜率效率为36％；

基于(一)制备的复合玻璃光纤构建全光纤锁模光纤激光器：将复合玻璃光纤的一端与窄带光栅(在2050nm处的反射率为70％，3db带宽为0.09nm)熔接，另一端紧贴可饱和吸收体(调制深度10％，恢复时间为12ps，饱和积分通量为70μj/cm²，在2050nm处非饱和反射率和群延迟色散分别为88％和870fs²)，构成线性短腔，1570nm泵浦光经1550/2050的wdm后从光纤光栅端进入谐振腔，受激辐射产生的光子经谐振腔不断振荡放大后产生的2050nm的锁模激光经1550/2050的wdm后输出，直接输出的2050nm的锁模激光的重复频率为225mhz，脉宽为76ps。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。