Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤激光器

2015-10-17孟祥伟姚传飞王善德贾志旭王顺宾何春风秦伟平秦冠仕

发光学报 2015年1期

关键词：纤芯微结构酸盐

孟祥伟，姚传飞，王善德，贾志旭，王顺宾，康喆，何春风，赵丹，秦伟平，秦冠仕

(集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012)

Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤激光器

孟祥伟，姚传飞，王善德，贾志旭，王顺宾，康喆，何春风，赵丹，秦伟平，秦冠仕*

(集成光电子学国家重点联合实验室吉林大学实验区吉林大学电子科学与工程学院，吉林长春 130012)

用棒管法拉制了Tm3+/Ho3+掺杂的碲酸盐微结构光纤，并获得了2μm的激光输出。以1 560 nm的Er3+掺杂石英光纤激光器作为泵浦源，在22 cm长的微结构光纤中，得到了最大功率为8.34 mW、波长为2 065 nm的连续激光输出，泵浦光功率为507 mW，斜率效率为2.97%。研究结果表明，Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤是一种用于研制2μm激光器的理想材料。

Tm3+/Ho3+共掺；2μm；碲酸盐；微结构光纤

1 引言

由于2μm波长处于大气的透过窗口且对人眼无害，所以2μm激光被广泛应用于激光测距、红外雷达和大气监测等领域［1-3］。另外，由于水分子在2μm波长附近具有很强的吸收峰，因此2 μm激光器也是生物医疗方面的理想光源［4-5］。与传统的激光器相比，光纤激光器拥有光束质量高、结构简单、散热性能好等诸多优点，成为近年来科研人员关注的热点［6-7］。

Tm3+：3F4→3H6和Ho3+：5I7→5I8能级间的辐射跃迁都可以产生2μm发光。对于2μm发光，Ho3+的受激发射截面几乎是Tm3+的5倍，但是Ho3+没有对应808 nm、980 nm光的吸收能级，因而不可以被目前商用大功率半导体激光器直接泵浦，降低了单掺Ho3+光纤激光器的实用性［8］。为了解决这个问题，一般使用Er3+、Tm3+或Yb3+作为Ho3+发光的敏化剂。与Er3+、Yb3+相比，Tm3+具有与 Ho3+更匹配的能级，能量损失较少［9］。

目前利用单掺Tm3+、Ho3+或共掺Tm3+/ Ho3+的方式已经在石英光纤、硅酸盐玻璃光纤、氟化物玻璃光纤、碲酸盐玻璃光纤和锗酸盐玻璃光纤内实现了2μm激光输出［10-12］。然而，石英、硅酸盐和锗酸盐玻璃等存在声子能量高的缺点，当能级间隔较小时，高的声子能量必然使能级间多声子无辐射弛豫速率增大，不仅导致发光离子的辐射量子效率降低，对激光材料的散热问题也是一定的挑战。另外，石英玻璃的稀土离子掺杂度较低，不易制作结构紧凑、小型化的激光器件。氟化物玻璃虽然声子能量低，但其化学稳定性和热稳定性较差，制备工艺较复杂，导致其实用性受到限制［13］。碲酸盐玻璃具有声子能量较低、稳定性强、成纤性好、稀土离子掺杂浓度高和折射率大等优点，是一种理想的光纤激光器增益基质［14］。Tsan等［15］已经成功地在78 cm长的Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐光纤内实现了2.1μm激光输出。然而，目前绝大多数2.1μm激光均是在传统的阶跃型光纤内实现。与传统的光纤相比，微结构光纤具有更多的优点。微结构光纤可以通过控制空气孔与纤芯的大小和比例，很方便地改变光纤的数值孔径以及光纤内光波模式的模场分布，容易获得大模场直径的单模光纤。

本文在Tm3+/Ho3+共掺杂碲酸盐微结构光纤内实现了2 065 nm的激光输出，激光阈值为230 mW，斜率效率为2.97%。泵浦光源是一台连续输出的Er3+掺杂石英光纤激光器，波长为1 560 nm。

2 实验

按76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-1.0Yb2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3(1.0Ho-1.0Tm-TZNBY)的量比准确称量10 g混合药品，其中TeO2、Bi2O3、ZnO纯度为99.9%，Na2CO3纯度为99.99%，Yb2O3、Tm2O3、Ho2O3纯度为99.999%。充分研磨、混合均匀后，将药品装入刚玉坩埚，放入900℃的马弗炉内加热30 min。将熔融的玻璃液倒入300℃预热的铜模板上，在300℃下精密退火3 h，然后缓慢降至室温。将退火后的玻璃研磨抛光，制成15 mm×10 mm×2 mm的样品。

使用排水法测量玻璃的密度。吸收光谱使用紫外/可见/近红外分光光度计(岛津UV3600)测量，波长范围为350～2 500 nm，步长为0.5 nm。所有测试均在室温下进行。

3 结果与讨论

3.1 Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐玻璃的光谱分析

图1所示为碲酸盐玻璃76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3的吸收光谱，图中吸收峰为Tm3+：3H6和Ho3+：5I8能级向高能级的跃迁吸收导致，由吸收光谱可确定Tm3+和Ho3+离子的能级图。

图1 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY块体玻璃的吸收光谱Fig.1 Absorption spectra of 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY bulk glass

根据76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-1.0Yb2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3玻璃的吸收光谱，计算了Ho3+在2μm处发光的吸收截面：

式中：Nd为Ho3+的掺杂浓度，可根据玻璃的密度与Ho3+的摩尔分数求得；L为玻璃的厚度；光密度 OD(λ)为波长 λ的函数，可由吸收光谱得到［16］。

受激发射截面可以利用McCumber理论计算［17］：

式中：k是波尔兹曼常数；T为热力学温度；ε是零声子线能量，它的物理意义是保持温度不变将一个离子由低能级激发到高能级需要的净能量［18］，可由公式(3)计算：

计算得到的吸收截面和发射截面如图2所示。

图2 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY玻璃的吸收截面和发射截面Fig.2 Absorption cross-section and emission cross-section of 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY glass

表1列出了各种玻璃中的Ho3+：5I7→5I8辐射跃迁的辐射概率(Ar)和受激发射截面峰值(σem)。从表中可以看出，TZNB玻璃具有最大的自发辐射概率和较大的峰值受激辐射截面，是一种理想的应用于掺Ho3+2μm激光的玻璃基质。

表1 不同玻璃基质内的Ho3+的光谱特性Table 1 Spectroscopic properties of various Ho3+doped glasses

3.2 碲酸盐微结构光纤的拉制

采用棒管法拉制微结构光纤。以量比为77TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3的组分制作了六角玻璃棒，作为拉制光纤纤芯的材料。作为光纤包层的玻璃管的配比为78TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3。先将玻璃棒放入玻璃管内，使用光纤拉丝塔拉制成一次预制棒(直径约为3mm)。将一次预制棒再次放入一个玻璃管内拉制成二次预制棒(直径约为3 mm)。将二次预制棒再次放入玻璃管内拉制微结构光纤，过程中向预制棒内吹入氮气，以调节空气孔的大小，最终得到横截面如图3所示的微结构光纤。纤芯直径为4.4μm，空气孔尺寸为3.85～4.98μm，光纤直径约为240μm。

如图3所示，微结构光纤的纤芯被6个空气孔包围，由于包层中有空气孔的存在，因此光纤包层便有了比纤芯折射率更低的有效包层折射率，导致传输模式被限制在纤芯内。可见，此类微结构光纤也是通过全内反射进行限光。在2 056 nm波长处，微结构光纤中LP01、LP11、LP21模式的限制损耗的值分别是0.22，2.45，222.13 dB/m，表明该光纤为准单模光纤，其有效模场面积Aeff为10.3μm2，模场直径为3.6μm，数值孔径为0.41。

图3 1.0Ho-1.0Tm-TZNB玻璃微结构光纤的横截面Fig.3 Cross section of 1.0Ho-1.0Tm-TZNB microstructure fiber

3.3 光纤激光性能测试

图4所示为本实验的实验装置图。泵浦源是一台自主搭建的Er3+掺杂石英光纤激光器，输出波长为1 560 nm。经过耦合透镜组，将高斯光束聚焦耦合进本实验所拉制的Tm3+/Ho3+共掺的碲酸盐微结构光纤中。由于光纤两端面处玻璃与空气存在折射率差，由菲涅尔反射折射率公式可计算知端面处的反射率为11%，光纤端面构成激光谐振腔［21］。Ho3+：5I7→5I8能级辐射跃迁的发光在微结构光纤内振荡，形成激光。输出光经一根大模场直径的光纤被传输进光谱分析仪(OSA)内，测试范围为1 200～2 400 nm。

图5所示为使用540 mW的激光泵浦22 cm的Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤产生的激光光谱，产生的激光波长为2 065 nm。通过改变泵浦光功率测得了激光的功率，拟合出光纤激光器的斜效率，其值为2.97%，如图6所示。

图4 Tm/Ho共掺碲酸盐微结构光纤激光器结构示意图Fig.4 Sketch of Tm/Ho co-doped telluritemicrostructure fiber laser experimental setup

图5 1 560 nm波长的激光泵浦下光纤激光器的激光光谱Fig.5 Spectrum of the fiber laser pumped by 1 560 nm band fiber laser

图6 2μm Ho3+/Tm3+共掺杂碲酸盐(TZNB)光纤激光器的斜效率Fig.6 Slope efficiency of 2μm band Ho3+/Tm3+co-doped TZNB fiber laser

2μm激光的上能级和下能级分别是Ho3+：5I7和Ho3+：5I8，但是由于Ho3+在1 560 nm处无吸收，所以要实现1 560 nm激光作为泵浦源的Ho3+的2μm激光需采用Tm3+/Ho3+共掺的方式。Tm3+可以有效地吸收泵浦光，Tm3+：3F4和Ho3+：5I7位置接近，能级比较匹配。当Tm3+/Ho3+掺杂浓度较大时，Tm3+：3H4和Ho3+：5I7间将发生能量传递，Ho3+由5I8跃迁至5I7能级，产生粒子数反转，Ho3+由5I7经辐射跃迁回到基态5I8发射～2μm的光，谐振腔对发光产生反馈，最终产生激光。

通过变换微结构光纤长度，我们研究了激光性能随长度的变换规律。实验结果表明：随着光纤长度的增加，激光阈值先减小后增大，而斜率效率则在本实验所选取的光纤长度范围内单调增大，如图7所示。这是因为随着光纤长度的增加，光纤激光器的增益光纤的长度增加，泵浦光与激光的转换效率增大，结果导致激光阈值降低，斜率效率增大；但是当光纤长度继续增加后，未被泵浦的光纤部分也在增大，导致光纤内的激光传输损耗较大，激光的产生阈值也随之增大。

图7 斜效率和激光阈值随微结构光纤长度变化的关系Fig.7 Dependence of the slope efficiency and threshold power on themicrostructure fiber length

4 结论

以高温熔融法制作了Tm3+/Ho3+共掺杂的碲酸盐玻璃，用棒管法拉制了Tm3+/Ho3+共掺的碲酸盐微结构光纤，纤芯直径为4.4μm，空气孔尺寸为3.85～4.98μm。在22 cm长的该微结构光纤中得到了2 065 nm的激光输出，阈值功率为230 mW，斜率效率为2.97%。激光器的激光阈值随光纤长度的增加先减小后增大，而斜率效率则单调增大。

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Tm3+/Ho3+Co-doped Tellurite M icrostructure Fiber Lasers

MENG Xiang-wei，YAO Chuan-fei，WANG Shan-de，JIA Zhi-xu，WANG Shun-bin，KANG Zhe，HE Chun-feng，ZHAO Dan，QINWei-ping，QIN Guan-shi*
(State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics，College of Electronic Science&Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China) *Corresponding Author，E-mail：qings@jlu.edu.cn

The lasing performances of Tm3+/Ho3+co-doped telluritemicrostructure fibers were reported.The microstructure fibers were fabricated by using a rod-in-tube method.Pumped by an Er3+doped silica fiber laser operating at1 560 nm，a continuouswave output power of～8.34 mW at 2 065 nm was obtained from 22 cm longmicrostructure fiber.The slope efficiency of themicrostructure fiber laserwas2.29%with an absorbed pump power of507 mW.The results indicate that the Tm3+/Ho3+doped telluritemicrostructure fiber is a promising gainmedium for constructing compact 2μm fiber lasers.

Tm3+/Ho3+co-doped；2μm lasers；tellurite；microstructure fiber

1000-7032(2015)01-0094-05

TN437

10.3788/fgxb20153601.0094

2014-09-04；

2014-11-03

国家自然科学基金(51072065，60908001，60908031，61077033，61178073，61378004)资助项目