Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃光譜性質(zhì)的研究＊

張偉南，梁金燕，徐善輝，錢 奇，楊中民

（特種功能材料教育部重點實驗室，華南理工大學(xué)光通信材料研究所，廣東 廣州 510640）

Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃光譜性質(zhì)的研究＊

張偉南，梁金燕，徐善輝，錢 奇，楊中民

（特種功能材料教育部重點實驗室，華南理工大學(xué)光通信材料研究所，廣東 廣州 510640）

氟磷酸鹽玻璃由于其特殊的光學(xué)性能與優(yōu)良的機械性能一直是特種玻璃材料領(lǐng)域內(nèi)一個研究熱點，本文研究了Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃的吸收光譜，熒光光譜，測得了Er3＋離子4I13／2能級熒光壽命，并計算了其吸收與發(fā)射截面，實驗結(jié)果顯示Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃具有帶寬寬，增益平坦的特點，是一種能作為實現(xiàn)超短脈沖輸出的激光器和光纖放大器的基質(zhì)玻璃材料.

氟磷酸鹽玻璃；超短脈沖；光纖放大器

Er3＋摻雜玻璃材料對于激光器和放大器來說是一種重要的增益材料，它的熒光峰位于對于人眼安全的1.5μm附近，因而廣泛應(yīng)用于光通信、醫(yī)藥和氣象等領(lǐng)域［1－2］.隨著孤子傳輸系統(tǒng)以及波分復(fù)用技術(shù)（WDM）的發(fā)展，對寬帶摻鉺光纖放大器（EDFA）和在超短脈沖光源的要求越來越高，超短脈沖光源產(chǎn)生的一個重要前提是尋找一種在寬頻范圍類具有增益高且增益譜平坦的介質(zhì)材料，傳統(tǒng)的Er摻雜基質(zhì)－石英玻璃在這方面并不具有優(yōu)勢，已經(jīng)越來越不能滿足當(dāng)前信號傳輸高速大容量的要求.與之相比，氟化物玻璃基質(zhì)的光纖放大器具有最為平坦的增益光譜和近似石英光纖放大器的效率，但氟化物玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和熱性能較差，機械強度低及拉絲困難等原因阻礙了其普及應(yīng)用.近年來，兼具氟化物材料聲子能量低和氧化物熱穩(wěn)定性好，機械強度高等特點的氟磷酸鹽玻璃在作為增益平坦的寬帶光纖放大器方面展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景［4－5］.摻 Er3＋光纖激光器吸引了很多研究者的興趣［6－7］，但是這些激光器的平均功率較低，大塊磷酸鹽玻璃可以用作產(chǎn)生高功率的基質(zhì)材料，但其脈寬較寬，由于混合離子效應(yīng)，在氟磷玻璃中有望實現(xiàn)線寬較寬且平坦.摻Nd氟磷酸鹽玻璃已經(jīng)展現(xiàn)出可以產(chǎn)生比磷酸鹽玻璃更窄的脈寬［8］.本文研究了 Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃的光譜性質(zhì)，并討論了其產(chǎn)生激光的可能性，期望能夠更寬的增益譜以及作為產(chǎn)生超短脈沖光源的介質(zhì)材料.

1 樣品制備與性能測試

選取摩爾組分為35AlF3－8RF－57MF2－0.5Er F3－x YbF3（x為0或1.5）的玻璃系統(tǒng)（R＝Li，Na，M＝Mg，Ca，Sr，Ba），所用原料均為分析純，精確稱取原料，充分混合，攪拌均勻后倒入剛玉坩堝，加蓋在950℃的高溫爐中熔制30 min；完成后將玻璃液倒在預(yù)熱的不銹鋼模具上，經(jīng)退火后將玻璃加工成10 mm×10 mm×1 mm的玻璃片，玻璃片兩面拋光以供測試使用.

紅外光譜測試采用德國Bruker公司的VECTOR－33型紅外光譜儀；熒光光譜采用法國Jobin Yvon公司的Triax320型熒光光譜儀測定，熒光壽命由熒光光譜儀和示波器聯(lián)用讀出；吸收光譜測試采用Lambda900UV／VIS／NIR分光光度計，測量范圍為200～1800 nm.

2 結(jié)果及討論

圖1為 Er3＋單摻及 Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃吸收光譜.從圖1可以看出，它們都顯示較高的紫外透過性.因為 Yb3＋發(fā)射（2F5／2→2F7／2）和 Er3＋吸收（I15／2→4I11／2）有很大的重疊區(qū)域且 Er3＋的4I11／2能級壽命很短，所以Er3＋／Yb3＋共摻玻璃存在由Yb3＋到 Er3＋的能量傳遞（ET）為：Er3＋（4I15／2）＋Yb3＋（2F15／2）→Er3＋（4I11／2）＋Yb3＋（2F7／2）.

圖1 Er3＋單摻以及Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃吸收光譜（a）Er3＋／Yb3＋ 共摻；（b）Er3＋ 單摻

式（2）中，z1和zu分別代表下能級和上能級的配分函數(shù)，室溫下z1／zu近似為簡并度的比，一般為4／3.k為波爾茲曼常數(shù)，T為溫度（此處為室溫），EZPL為零線能量，在玻璃吸收光譜中對應(yīng)于最大的吸收值.

圖2為樣品的吸收與發(fā)射截面譜，從圖2中可以看出，Er3＋／Yb3＋共摻樣品最大吸收截面達到了σabs＝6.657×10－20cm2，由于高的吸收截面意味著更好的泵浦效率和更好的敏化［10］，Yb3＋的高吸收截面和 Yb3＋／Er3＋間的高的能量轉(zhuǎn)移效率，Er3＋對

式（1）中，I0為入射光強度，I為透射光強度，lg（I0／I）是吸收光譜中的光密度，N為離子濃度，l為樣品的厚度.

依據(jù) McCumber理論［9］，受激發(fā)射截面σem可由相應(yīng)波段的吸收截面得到

根據(jù)樣品的吸收光譜，Er3＋／Yb3＋共摻樣品在1530 nm吸收截面可由式（1）得到：980 nm泵浦的吸收效率得以提高.Er3＋的發(fā)射截面是激光玻璃的重要參數(shù)之一，高的發(fā)射截面有利于得到高的增益系數(shù)，根據(jù)McCumber理論結(jié)合吸收光譜可以得到Er3＋／Yb3＋共摻氟磷玻璃中Er3＋在1.5波段的峰值發(fā)射截面σem＝7.54×10－20cm2.

圖2 Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃吸收與發(fā)射截面

圖3 Er3＋／Yb3＋共摻氟磷酸鹽玻璃歸一化熒光光譜及能量轉(zhuǎn)移過程示意圖

圖3為樣品室溫下的歸一化熒光譜及能量轉(zhuǎn)移過程示意圖，F(xiàn)－離子在玻璃網(wǎng)絡(luò)中增加了非橋氟的位置，Er3＋離子的摻雜更加劇了玻璃體系的復(fù)雜構(gòu)型及非對稱性，從而加劇了熒光光譜的非均勻展寬.根據(jù)公式（3），在本次試驗中獲得的樣品有效熒光半高寬高達65.3 nm，此數(shù)值超過硅酸鹽玻璃［11］和磷酸鹽玻璃［12］.高的有效線寬是產(chǎn)生高的增益帶寬的前提條件，而高的增益帶寬是產(chǎn)生是利用鎖模原理實現(xiàn)超短脈沖輸出的一個重要條件，只有增益介質(zhì)的增益帶寬大，模式頻率間隔小，能夠在很寬的頻譜范圍內(nèi)激勵起多模振蕩，從而為鎖模創(chuàng)造條件.同時Er3＋的有效線寬對于光纖放大器也是一個非常重要的參數(shù)，寬的有效線寬可以很好的改善光纖放大器的放大帶寬，增加光纖傳輸?shù)男诺罃?shù)，提高波分復(fù)用的傳輸容量［13］.

圖4為Er3＋離子4I13／2能級實際測得的熒光壽命，在本次試驗中測得的熒光壽命高達8.51 ms，如此長的熒光壽命可以降低由自發(fā)輻射引起的抽運能量的降低，并且熒光壽命越長則所需的泵浦閾值功率可能就越低.

圖4 實際測試Er3＋離子4 I13／2能級在氟磷酸鹽玻璃中熒光壽命

3 結(jié) 論

氟磷酸鹽玻璃具有良好的玻璃形成能力，高的吸收與發(fā)射截面，寬的有效熒光半高寬，長的熒光壽命，有望成為WDM傳輸系統(tǒng)中以及產(chǎn)生超短脈沖光源所需要的光纖基質(zhì)材料.

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The investigation on the spectroscopic properties of Er3＋／Yb3＋co－doped fluorophosphate glass

ZHANG Wei－nan，LIANG Jin－Yan，XU Shan－h(huán)ui，QIAN Qi，YANG Zhong－min
（Key Lab of Special Functional Materials，Ministry of Education，and Institute of Optical Communication Materials，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

Fluorophosphate glass is an important subjet in the field of special optical glasses materials，due to its excellent optical properties and good mechnical peoperties.In this paper，the absorption spectra，emission spectra，and the lifetime of4I13／2energy level of Er3＋，is investigated.we calculated the absorption cross－section and emission cross－section.these resultes indicate the fuorophosphate glass is candidate as the media for the broad－band，flat gain and the generation of ultrashort pulses and fiber amplifer.

fluorophosphate glass；ultrashort pulses；fiber amplifer

TB302.4

A

1673－9981（2010）04－0334－04

2010－10－20

國家自然科學(xué)基金資助項目（60977060，2009，01－2011.12）

張偉南（1954—）男，廣東廣州人，工程師.