Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖激光器

孟祥偉，姚傳飛，王善德，賈志旭，王順賓，康 喆，何春風(fēng)，趙 丹，秦偉平，秦冠仕

(集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖激光器

孟祥偉，姚傳飛，王善德，賈志旭，王順賓，康 喆，何春風(fēng)，趙 丹，秦偉平，秦冠仕*

(集成光電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012)

用棒管法拉制了Tm3+/Ho3+摻雜的碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖，并獲得了2μm的激光輸出。以1 560 nm的Er3+摻雜石英光纖激光器作為泵浦源，在22 cm長(zhǎng)的微結(jié)構(gòu)光纖中，得到了最大功率為8.34 mW、波長(zhǎng)為2 065 nm的連續(xù)激光輸出，泵浦光功率為507 mW，斜率效率為2.97%。研究結(jié)果表明，Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖是一種用于研制2μm激光器的理想材料。

Tm3+/Ho3+共摻；2μm；碲酸鹽；微結(jié)構(gòu)光纖

1 引 言

由于2μm波長(zhǎng)處于大氣的透過(guò)窗口且對(duì)人眼無(wú)害，所以2μm激光被廣泛應(yīng)用于激光測(cè)距、紅外雷達(dá)和大氣監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域［1-3］。另外，由于水分子在2μm波長(zhǎng)附近具有很強(qiáng)的吸收峰，因此2 μm激光器也是生物醫(yī)療方面的理想光源［4-5］。與傳統(tǒng)的激光器相比，光纖激光器擁有光束質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、散熱性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為近年來(lái)科研人員關(guān)注的熱點(diǎn)［6-7］。

Tm3+：3F4→3H6和Ho3+：5I7→5I8能級(jí)間的輻射躍遷都可以產(chǎn)生2μm發(fā)光。對(duì)于2μm發(fā)光，Ho3+的受激發(fā)射截面幾乎是Tm3+的5倍，但是Ho3+沒有對(duì)應(yīng)808 nm、980 nm光的吸收能級(jí)，因而不可以被目前商用大功率半導(dǎo)體激光器直接泵浦，降低了單摻Ho3+光纖激光器的實(shí)用性［8］。為了解決這個(gè)問(wèn)題，一般使用Er3+、Tm3+或Yb3+作為Ho3+發(fā)光的敏化劑。與Er3+、Yb3+相比，Tm3+具有與 Ho3+更匹配的能級(jí)，能量損失較少［9］。

目前利用單摻Tm3+、Ho3+或共摻Tm3+/ Ho3+的方式已經(jīng)在石英光纖、硅酸鹽玻璃光纖、氟化物玻璃光纖、碲酸鹽玻璃光纖和鍺酸鹽玻璃光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2μm激光輸出［10-12］。然而，石英、硅酸鹽和鍺酸鹽玻璃等存在聲子能量高的缺點(diǎn)，當(dāng)能級(jí)間隔較小時(shí)，高的聲子能量必然使能級(jí)間多聲子無(wú)輻射弛豫速率增大，不僅導(dǎo)致發(fā)光離子的輻射量子效率降低，對(duì)激光材料的散熱問(wèn)題也是一定的挑戰(zhàn)。另外，石英玻璃的稀土離子摻雜度較低，不易制作結(jié)構(gòu)緊湊、小型化的激光器件。氟化物玻璃雖然聲子能量低，但其化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性較差，制備工藝較復(fù)雜，導(dǎo)致其實(shí)用性受到限制［13］。碲酸鹽玻璃具有聲子能量較低、穩(wěn)定性強(qiáng)、成纖性好、稀土離子摻雜濃度高和折射率大等優(yōu)點(diǎn)，是一種理想的光纖激光器增益基質(zhì)［14］。Tsan等［15］已經(jīng)成功地在78 cm長(zhǎng)的Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2.1μm激光輸出。然而，目前絕大多數(shù)2.1μm激光均是在傳統(tǒng)的階躍型光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)。與傳統(tǒng)的光纖相比，微結(jié)構(gòu)光纖具有更多的優(yōu)點(diǎn)。微結(jié)構(gòu)光纖可以通過(guò)控制空氣孔與纖芯的大小和比例，很方便地改變光纖的數(shù)值孔徑以及光纖內(nèi)光波模式的模場(chǎng)分布，容易獲得大模場(chǎng)直徑的單模光纖。

本文在Tm3+/Ho3+共摻雜碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)實(shí)現(xiàn)了2 065 nm的激光輸出，激光閾值為230 mW，斜率效率為2.97%。泵浦光源是一臺(tái)連續(xù)輸出的Er3+摻雜石英光纖激光器，波長(zhǎng)為1 560 nm。

2 實(shí) 驗(yàn)

按76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-1.0Yb2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3(1.0Ho-1.0Tm-TZNBY)的量比準(zhǔn)確稱量10 g混合藥品，其中TeO2、Bi2O3、ZnO純度為99.9%，Na2CO3純度為99.99%，Yb2O3、Tm2O3、Ho2O3純度為99.999%。充分研磨、混合均勻后，將藥品裝入剛玉坩堝，放入900℃的馬弗爐內(nèi)加熱30 min。將熔融的玻璃液倒入300℃預(yù)熱的銅模板上，在300℃下精密退火3 h，然后緩慢降至室溫。將退火后的玻璃研磨拋光，制成15 mm×10 mm×2 mm的樣品。

使用排水法測(cè)量玻璃的密度。吸收光譜使用紫外/可見/近紅外分光光度計(jì)(島津UV3600)測(cè)量，波長(zhǎng)范圍為350～2 500 nm，步長(zhǎng)為0.5 nm。所有測(cè)試均在室溫下進(jìn)行。

3 結(jié)果與討論

3.1 Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽玻璃的光譜分析

圖1所示為碲酸鹽玻璃76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3的吸收光譜，圖中吸收峰為Tm3+：3H6和Ho3+：5I8能級(jí)向高能級(jí)的躍遷吸收導(dǎo)致，由吸收光譜可確定Tm3+和Ho3+離子的能級(jí)圖。

圖1 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY塊體玻璃的吸收光譜Fig.1 Absorption spectra of 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY bulk glass

根據(jù)76TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-1.0Yb2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3玻璃的吸收光譜，計(jì)算了Ho3+在2μm處發(fā)光的吸收截面：

式中：Nd為Ho3+的摻雜濃度，可根據(jù)玻璃的密度與Ho3+的摩爾分?jǐn)?shù)求得；L為玻璃的厚度；光密度 OD(λ)為波長(zhǎng) λ的函數(shù)，可由吸收光譜得到［16］。

受激發(fā)射截面可以利用McCumber理論計(jì)算［17］：

式中：k是波爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；ε是零聲子線能量，它的物理意義是保持溫度不變將一個(gè)離子由低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)需要的凈能量［18］，可由公式(3)計(jì)算：

計(jì)算得到的吸收截面和發(fā)射截面如圖2所示。

圖2 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY玻璃的吸收截面和發(fā)射截面Fig.2 Absorption cross-section and emission cross-section of 1.0Ho-1.0Tm-TZNBY glass

表1列出了各種玻璃中的Ho3+：5I7→5I8輻射躍遷的輻射概率(Ar)和受激發(fā)射截面峰值(σem)。從表中可以看出，TZNB玻璃具有最大的自發(fā)輻射概率和較大的峰值受激輻射截面，是一種理想的應(yīng)用于摻Ho3+2μm激光的玻璃基質(zhì)。

表1 不同玻璃基質(zhì)內(nèi)的Ho3+的光譜特性Table 1 Spectroscopic properties of various Ho3+doped glasses

3.2 碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖的拉制

采用棒管法拉制微結(jié)構(gòu)光纖。以量比為77TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3的組分制作了六角玻璃棒，作為拉制光纖纖芯的材料。作為光纖包層的玻璃管的配比為78TeO2-5ZnO-12Na2CO3-5Bi2O3。先將玻璃棒放入玻璃管內(nèi)，使用光纖拉絲塔拉制成一次預(yù)制棒(直徑約為3mm)。將一次預(yù)制棒再次放入一個(gè)玻璃管內(nèi)拉制成二次預(yù)制棒(直徑約為3 mm)。將二次預(yù)制棒再次放入玻璃管內(nèi)拉制微結(jié)構(gòu)光纖，過(guò)程中向預(yù)制棒內(nèi)吹入氮?dú)猓哉{(diào)節(jié)空氣孔的大小，最終得到橫截面如圖3所示的微結(jié)構(gòu)光纖。纖芯直徑為4.4μm，空氣孔尺寸為3.85～4.98μm，光纖直徑約為240μm。

如圖3所示，微結(jié)構(gòu)光纖的纖芯被6個(gè)空氣孔包圍，由于包層中有空氣孔的存在，因此光纖包層便有了比纖芯折射率更低的有效包層折射率，導(dǎo)致傳輸模式被限制在纖芯內(nèi)。可見，此類微結(jié)構(gòu)光纖也是通過(guò)全內(nèi)反射進(jìn)行限光。在2 056 nm波長(zhǎng)處，微結(jié)構(gòu)光纖中LP01、LP11、LP21模式的限制損耗的值分別是0.22，2.45，222.13 dB/m，表明該光纖為準(zhǔn)單模光纖，其有效模場(chǎng)面積Aeff為10.3μm2，模場(chǎng)直徑為3.6μm，數(shù)值孔徑為0.41。

圖3 1.0Ho-1.0Tm-TZNB玻璃微結(jié)構(gòu)光纖的橫截面Fig.3 Cross section of 1.0Ho-1.0Tm-TZNB microstructure fiber

3.3 光纖激光性能測(cè)試

圖4所示為本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)裝置圖。泵浦源是一臺(tái)自主搭建的Er3+摻雜石英光纖激光器，輸出波長(zhǎng)為1 560 nm。經(jīng)過(guò)耦合透鏡組，將高斯光束聚焦耦合進(jìn)本實(shí)驗(yàn)所拉制的Tm3+/Ho3+共摻的碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖中。由于光纖兩端面處玻璃與空氣存在折射率差，由菲涅爾反射折射率公式可計(jì)算知端面處的反射率為11%，光纖端面構(gòu)成激光諧振腔［21］。Ho3+：5I7→5I8能級(jí)輻射躍遷的發(fā)光在微結(jié)構(gòu)光纖內(nèi)振蕩，形成激光。輸出光經(jīng)一根大模場(chǎng)直徑的光纖被傳輸進(jìn)光譜分析儀(OSA)內(nèi)，測(cè)試范圍為1 200～2 400 nm。

圖5所示為使用540 mW的激光泵浦22 cm的Tm3+/Ho3+共摻碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖產(chǎn)生的激光光譜，產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)為2 065 nm。通過(guò)改變泵浦光功率測(cè)得了激光的功率，擬合出光纖激光器的斜效率，其值為2.97%，如圖6所示。

圖4 Tm/Ho共摻碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Sketch of Tm/Ho co-doped telluritemicrostructure fiber laser experimental setup

圖5 1 560 nm波長(zhǎng)的激光泵浦下光纖激光器的激光光譜Fig.5 Spectrum of the fiber laser pumped by 1 560 nm band fiber laser

圖6 2μm Ho3+/Tm3+共摻雜碲酸鹽(TZNB)光纖激光器的斜效率Fig.6 Slope efficiency of 2μm band Ho3+/Tm3+co-doped TZNB fiber laser

2μm激光的上能級(jí)和下能級(jí)分別是Ho3+：5I7和Ho3+：5I8，但是由于Ho3+在1 560 nm處無(wú)吸收，所以要實(shí)現(xiàn)1 560 nm激光作為泵浦源的Ho3+的2μm激光需采用Tm3+/Ho3+共摻的方式。Tm3+可以有效地吸收泵浦光，Tm3+：3F4和Ho3+：5I7位置接近，能級(jí)比較匹配。當(dāng)Tm3+/Ho3+摻雜濃度較大時(shí)，Tm3+：3H4和Ho3+：5I7間將發(fā)生能量傳遞，Ho3+由5I8躍遷至5I7能級(jí)，產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，Ho3+由5I7經(jīng)輻射躍遷回到基態(tài)5I8發(fā)射～2μm的光，諧振腔對(duì)發(fā)光產(chǎn)生反饋，最終產(chǎn)生激光。

通過(guò)變換微結(jié)構(gòu)光纖長(zhǎng)度，我們研究了激光性能隨長(zhǎng)度的變換規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：隨著光纖長(zhǎng)度的增加，激光閾值先減小后增大，而斜率效率則在本實(shí)驗(yàn)所選取的光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)單調(diào)增大，如圖7所示。這是因?yàn)殡S著光纖長(zhǎng)度的增加，光纖激光器的增益光纖的長(zhǎng)度增加，泵浦光與激光的轉(zhuǎn)換效率增大，結(jié)果導(dǎo)致激光閾值降低，斜率效率增大；但是當(dāng)光纖長(zhǎng)度繼續(xù)增加后，未被泵浦的光纖部分也在增大，導(dǎo)致光纖內(nèi)的激光傳輸損耗較大，激光的產(chǎn)生閾值也隨之增大。

圖7 斜效率和激光閾值隨微結(jié)構(gòu)光纖長(zhǎng)度變化的關(guān)系Fig.7 Dependence of the slope efficiency and threshold power on themicrostructure fiber length

4 結(jié) 論

以高溫熔融法制作了Tm3+/Ho3+共摻雜的碲酸鹽玻璃，用棒管法拉制了Tm3+/Ho3+共摻的碲酸鹽微結(jié)構(gòu)光纖，纖芯直徑為4.4μm，空氣孔尺寸為3.85～4.98μm。在22 cm長(zhǎng)的該微結(jié)構(gòu)光纖中得到了2 065 nm的激光輸出，閾值功率為230 mW，斜率效率為2.97%。激光器的激光閾值隨光纖長(zhǎng)度的增加先減小后增大，而斜率效率則單調(diào)增大。

［1］Zhao JC，Guo R H，Sun T.Developmenthistory and trend analysis of shipborne laserweapons［J］.Chin.Opt.(中國(guó)光學(xué))，2013，6(2):151-155(in Chinese).

［2］Lou FG，Kuan PW，Zhang L，et al.2μm laser properties of Tm3+-doped large core sol-gel silica fiber［J］.Opt. Mater.Express，2014，4(6):1267-1275.

［3］Henderson SW，Hale C P，Magee JR，etal.Eye-safe coherent laser radar system at2.1μm using Tm，Ho∶YAG lasers［J］.Opt.Lett.，1991，16(10):773-735.

［4］Taniguchi A，Kuwayama T，Shirakawa A，etal.1 212 nm pumping of2μm Tm-Ho-codoped silica fiber laser［J］.Appl. Phys.Lett.，2002，81(20):3723-3725.

［5］Chen H F，Chen F Z，Wei T，etal.Ho3+doped fluorophosphate glasses sensitized by Yb3+for efficient2μm laser applications［J］.Opt.Commun.，2014，321:183-188.

［6］Kuriki K，Koike Y.Plastic optical fiber lasers and amplifiers containing lanthanide complexes［J］.Chem.Rev.，2002，102:2347-2356.

［7］Walsh B M.Review of Tm and Homaterials:Spectroscopy and lasers［J］.Laser Phys.，2009，19(4):855-866.

［8］He JL，Zhan H，Zhou ZG，et al.Study on 2.0μm fluorescence of Ho-doped water-free fluorotellurite glasses［J］.Opt. Mater.，2013，35:2573-2576.

［9］Walsh B M，Barnes N P，Bartolo B D.The temperature dependence of energy transfer between the Tm3F4and Ho5I7manifolds of Tm-sensitized Ho luminescence in YAG and YLF［J］.J.Lumin.，2000，90:39-48.

［10］Wang X，F(xiàn)an X K，Gao S，et al.Spectroscopic properties of Tm3+-Ho3+co-doped SiO2-Al2O3-CaO-SrO glasses［J］. Ceram.Int.，2014，40(7):9751-9756.

［11］Doualan JL，Girard S，Haquin H，etal.Spectroscopic properties and laser emission of Tm doped ZBLAN glass at1.8μm［J］.Opt.Mater.，2003，24(3):563-574.

［12］Richards B，Jha A，Tsang Y，et al.Tellurite glass laser operating close to 2μm［J］.Laser Phys.Lett.，2010，7(3): 177-193.

［13］JoubertM F.Photon avalanche upconversion in rare earth lasermaterials［J］.Opt.Mater.，1999，11:181-203.

［14］Ravi Kanth Kumar V V，George A K，Knight JC，et al.Tellurite photonic crystal fiber［J］.Opt.Express，2003，11 (20):2641-2645.

［15］Tsang Y，Richards B，Binks D，et al.Tm3+/Ho3+co-doped tellurite fiber laser［J］.Opt.Lett.，2008，33(11):1282-1284.

［16］Rejikumar PR，Vasudevan P，Karthika S，et al.Structural and spectroscopic characterization of Ho3+in sol-gel silica［J］.J.Optoelectron.Adv.Mater.，2010，12(5):1065-1070.

［17］McCumber D E.Theory of photon-terminated opticalmasers［J］.Phys.Rev.，1964，134(2A):231-241.

［18］Yan Y C，F(xiàn)aber A J，Waal H D.Luminescence quenching by OH groups in highly Er-doped phosphate glasses［J］.J. Non-Cryst.Solids，1995，181(3):283-290.

［19］Peng B，Izumitani T.Optical properties，fluorescence mechanisms and energy transfer in Tm3+，Ho3+and Tm3+/Ho3+doped near-infrared laser gasses，sensitized by Yb3+［J］.Opt.Mater.，1995，4(6):797-810.

［20］Jia Z X，Yao C F，Kang Z，et al.Self-Q-switching behavior of erbium-doped telluritemicrostructured fiber lasers［J］.J. Appl.Phys.，2014，115(22):223103-1-5.

［21］Jia ZX，LiH，Meng XW，etal.Broadband amplification and highly efficient lasing in erbium-doped telluritemicrostructure fibers［J］.Opt.Lett.，2013，38(7):1049-1051.

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

A

10.3788/fgxb20153601.0094

2014-09-04；

2014-11-03

國(guó)家自然科學(xué)基金(51072065，60908001，60908031，61077033，61178073，61378004)資助項(xiàng)目

孟祥偉(1989-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生，2012年于吉林大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事中紅外超連續(xù)光源和光纖激光器的研究。E-mail：mengxw12@mails.jlu.edu.cn

秦冠仕(1976-)，男，河南安陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，2004年于中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位，主要從事特種光纖及其光子學(xué)器件方面的研究。E-mail：qings@jlu.edu.cn