單頻光纖激光器用摻鐿硼磷酸鹽玻璃的光譜特性研究

錢奇 趙霞 劉禮華 李濤

摘 要：為開展1.06 μm單頻光纖激光器研究，該文詳細研究了高摻雜Yb2O3硼磷酸鹽玻璃（P2O5-B2O3-Al2O3-Li2O）的光學光譜特性，有效解決了影響摻Y(jié)b2O3玻璃材料1.06 μm激光輸出的關(guān)鍵問題：增加Yb2O3溶解度、擴展熒光帶寬和提高熒光壽命。實驗表明Yb2O3在硼磷酸鹽玻璃中具有極高的溶解度，可達12 mol%;通過在磷酸鹽玻璃中引入B2O3顯著增加了Yb3+離子熒光帶寬，提高了1.06 μm處的熒光強度;隨玻璃中Yb2O3含量增加，Yb3+離子在1.06μm處發(fā)射截面由0.26×10-21cm2增加到0.33×10-21 cm2。采用改進的反應(yīng)氣氛法去除玻璃體中的OH-，使Yb3+離子2F5/2能級熒光壽命由0.14 ms提高到2.05 ms。研究結(jié)果表明高摻雜Yb2O3的硼磷酸鹽玻璃是1.06 μm單頻光纖激光器優(yōu)質(zhì)的增益材料。

關(guān)鍵詞：1.06 μm光纖激光器 ?Yb3+離子 ?硼磷酸鹽玻璃 ?玻璃除水

中圖分類號：TQ171.735 ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（c）-0115-03

1.06 μm單頻（或單縱模）光纖激光器由于其顯著的優(yōu)點，如優(yōu)良的光束質(zhì)量、大的功率和功率密度、高的能量轉(zhuǎn)換效率以及較低的熱效應(yīng)等，而在激光雷達、激光測距、光傳感和超遠距離探測等領(lǐng)域有著強烈需求和廣泛應(yīng)用前景[1]。目前，實現(xiàn)單縱模光纖激光器的有效途徑之一是短腔結(jié)構(gòu)法，即在僅幾厘米長摻雜激活離子的光纖中形成激光增益振蕩?？蓪崿F(xiàn)1.06 μm激光輸出的激活離子有兩種：Nd3+和Yb3+。在摻Nd3+的激光玻璃中，Nd3+離子從850 nm到1 400 nm具有3個熒光發(fā)射躍遷，其中Nd3+離子亞穩(wěn)態(tài)與終態(tài)之間的4F3/2→4I11/2躍遷產(chǎn)生的1.06 μm熒光發(fā)射最強。但是由于Nd3+離子在玻璃中溶解度低，以及吸收帶與高功率二極管輸出波長匹配性差，使其難以在激光器短腔內(nèi)提供足夠的增益。與Nd3+離子相比，Yb3+作為激活離子具有以下優(yōu)點：（1）有效吸收帶寬寬，能與InGaAs激光二極管（LD）發(fā)射波長有效耦合;（2）Yb3+電子構(gòu)型為4f13，僅兩個電子態(tài)（2F7/2， 2F5/2），這種簡單能級結(jié)構(gòu)防止了一些去激發(fā)途徑，如激發(fā)態(tài)吸收、上轉(zhuǎn)換熒光和交叉馳豫導(dǎo)致的下轉(zhuǎn)換等，因此具有更高的量子效率;（3）高量子效率降低了摻Y(jié)b3+材料的熱負荷，僅為摻Nd3+同種激光材料的1/3;（4）Yb3+離子2F5/2能級熒光壽命長，為Nd3+離子的三倍多，利于儲能;（5）在各種激光玻璃中，Yb3+比Nd3+具有更高的溶解度。鑒于Yb3+離子的上述特性，使用摻Y(jié)b3+激光玻璃作為1.06 μm單頻激光器的增益介質(zhì)更具吸引力。

然而，Yb3+離子熒光峰值發(fā)射波長在1 005～1 028 nm之間，在1.06 μm處僅具有較弱的熒光強度，導(dǎo)致?lián)借O激光玻璃在1.06 μm提供的增益遠低于Yb3+的峰值增益。提高摻鐿玻璃1.06 μm處增益系數(shù)的可能途徑有兩種：一是大幅度提高Yb3+離子在磷酸鹽玻璃中的溶解度;二是調(diào)整玻璃基質(zhì)使Yb3+離子2F5/2→2F7/2躍遷形成寬帶熒光發(fā)射，從而改善1.06 μm處的增益特性。

因此，文中基于1.06 μm單頻光纖激光器對材料的需求，通過在磷酸鹽激光玻璃中引入B2O3，詳細研究了Yb3+離子在這種硼磷酸鹽玻璃中的溶解度、熒光帶寬和增益特性。并針對由于B2O3和P2O5引入使玻璃中含有大量的OH-進而導(dǎo)致Yb3+離子壽命降低的問題，探索了有效的除水方法。這些研究為實現(xiàn)1.06 μm高功率單頻激光輸出奠定了材料基礎(chǔ)。

1 實驗

實驗研究的硼磷酸鹽玻璃摩爾組成為：（71-x）P2O5-18B2O3-5Al2O3-6Li2O-xYb2O3（x=4、6、8、10、12，分別命名為PB1、PB2、PB3、PB4、PB5）。玻璃制備所用原料為分析純的P2O5、B2O3、AlPO4、Li2CO3，以及純度為99.999%的Yb2O3。按配方稱取混合料100 g，在陶瓷研缽中充分研磨混合，放入鉑坩堝并置于1 350℃硅碳棒電爐中熔化20 min后，采用改進的反應(yīng)氣氛法（RAP）對玻璃進行除水：在玻璃熔體中通入高純氧氣，并由氧氣帶入一種復(fù)合除水劑，在高溫下使玻璃熔體中OH-與除水劑發(fā)生反應(yīng)并生成氣體產(chǎn)物，此氣體產(chǎn)物由氧氣帶出玻璃熔體。將除水后的均質(zhì)玻璃液澆鑄在鋼模上成型，再移入退火爐中于450℃退火。退火后的玻璃經(jīng)切割、研磨后，加工成10×10×0.5 mm3雙面拋光試樣用于測試。此外，為了對比不同基質(zhì)中Yb3+離子的熒光特性，在一種成熟的原摻釹的多組分磷酸鹽高功率激光玻璃中改摻雜Yb2O3，按上述同樣工藝制備的此多組分磷酸鹽激光玻璃的組成為：60.9P2O5-14BaO-10Al2O3-3Yb2O3-12.1（K2O-Nb2O5-Sb2O3），并命名為PBA。

玻璃密度采用阿基米德懸浮法測量。玻璃的折射率測量采用Metricon MODEL 2010/M型棱鏡耦合儀測定了633 nm處的折射率值。玻璃的吸收光譜采用Perkin-Elmer Lambda-900 UV/VIS/NIR 光譜儀測定，測量范圍為350～1 800 nm。熒光光譜采用法國Jobin Yvon公司的TRIAX320型熒光光譜儀測量，用InGaAs探測器探測熒光，以977 nm激光二極管為泵浦源。Yb3+離子2F5/2能級熒光壽命測量是由示波器記錄熒光衰減波形曲線，再將此曲線進行擬合得到。所有測量均在室溫下進行。

2 結(jié)果與分析

圖1給出了Yb3+離子的能級結(jié)構(gòu)。Yb3+離子電子構(gòu)型為4f13，具有2F5/2和2F7/2兩個能態(tài)，兩能態(tài)相隔約10000 cm-1。由于玻璃基質(zhì)的的非對稱結(jié)構(gòu)，Yb3+離子基態(tài)能級2F7/2分裂為4個子能級，激發(fā)態(tài)能級2F5/2分裂為3個子能級。

圖2給出了室溫時摻Y(jié)b3+硼磷酸鹽玻璃在220～1 150 nm波段的吸收光譜。由圖可知，Yb3+離子2F7/2→ 2F5/2躍遷吸收的峰值位置分別為914 nm（10 941 cm-1）、954 nm（10 480 cm-1）、974 nm（10 267 cm-1），這些吸收峰分別對應(yīng)基態(tài)能級2F7/2的最低能態(tài)到激發(fā)態(tài)能級2F5/2三個不同能態(tài)之間的躍遷。其中974 nm處的吸收峰為最強峰，對應(yīng)2F7/2和2F5/2兩能級的最低斯塔克能級間的躍遷。實驗的硼磷酸鹽玻璃吸收邊位于深紫外區(qū)，約為250 nm，且隨玻璃中Yb2O3含量的增加，吸收邊紅移。

檢測稀土離子在特定組成玻璃中溶解度，一種常采用的方法是：測量玻璃中稀土離子吸收強度隨稀土離子含量的變化。圖3給出了Yb3+離子2F7/2→2F5/2躍遷積分吸收強度隨Yb2O3含量的變化。由圖可看到，除12 mol% Yb2O3的躍遷積分吸收強度點輕微的偏離外，各玻璃樣品的積分吸收強度與玻璃中Yb2O3含量顯示了較好的線性關(guān)系。這表明實驗的硼磷酸鹽玻璃具有極好的對Yb3+離子的溶解能力，Yb2O3在此硼磷玻璃中的溶解度高達為12 mol%。

該研究的目的是為實現(xiàn)1.06 μm單頻光纖激光器提供高增益光纖材料，因此主要關(guān)注的是玻璃在1.06 μm處的熒光特性。圖4為摻Y(jié)b3+硼磷酸鹽玻璃（PB1-PB5）和多組分磷酸鹽玻璃（PBA）在977 nm LD泵浦下的熒光光譜。由圖可知，實驗的玻璃樣品在1 064 nm處的熒光發(fā)射有顯著的差異。PAB玻璃是一種成熟的高功率磷酸鹽激光玻璃，直接在此玻璃基質(zhì)中摻雜Yb2O3，其在1 064 nm處僅顯示有微弱的熒光發(fā)射（如圖4所示），由于低的增益系數(shù)不能達到激光模式起振的閾值條件，由此玻璃拉制的光纖難以實現(xiàn)單頻激光輸出。B2O3是一種能有效增加玻璃中稀土離子熒光帶寬的玻璃成分，B2O3在多組分玻璃中常形成[BO3]和[BO4]結(jié)構(gòu)單元，以及其高場強對稀土離子內(nèi)層4f電子較強作用，有利于稀土離子熒光的非均勻展寬;而磷酸鹽玻璃由于其聲子能量適中、光譜性能優(yōu)良、非線性系數(shù)小等特性，成為重要的激光基質(zhì)玻璃材料。實驗的硼磷酸鹽玻璃結(jié)合了它們的這些特性。如圖4所示，Yb3+離子在含B2O3的PB1-PB5玻璃中比在無B2O3的PBA玻璃中具有更寬的熒光帶寬。在1 064 nm處，隨硼磷玻璃中Yb2O3含量的增加，PB5、PB4、PB3、PB2和PB1玻璃的熒光強度分別是PBA玻璃熒光強度的3.3、2.8、2.5、2.2和1.7倍。并且，隨Yb2O3含量的增加，由于熒光俘獲效應(yīng)使熒光峰位紅移，由1 000 nm移動到1 004 nm。

根據(jù)McCumber理論，Yb3+離子2F5/2→2F7/2躍遷的發(fā)射截面可以根據(jù)吸收截面求得：

（1）

式中h為譜朗克常數(shù)，k為波爾茲曼常數(shù)，ε為溫度T下將一個Yb3+離子從基態(tài)2F7/2激發(fā)到2F5/2能級所需的自由能;自由能ε可由文獻的方法求得。吸收截面 根據(jù)吸收光譜由下式計算：

（2）

其中l(wèi)og（I0/I）為光密度，L為玻璃厚度，N為Yb3+離子在玻璃中的濃度。表1給出了Yb3+離子在玻璃中的濃度。由（1）和（2）式計算的Yb3+離子在硼磷酸鹽玻璃中的峰值（974 nm）吸收截面和1 064 nm處的發(fā)射截面展示在圖5中。由圖看到，隨Yb2O3含量增加，Yb3+離子的峰值吸收截面降低，由13.63×10-21 cm2減小到8.00×10-21 cm2;而玻璃在1 064 nm處發(fā)射截面，隨Yb2O3含量增加，由0.26×10-21 cm2增加到0.33×10-21 cm2。

玻璃在波長 處的增益系數(shù)可由下式計算：

（3）

其中，為處于激發(fā)態(tài)的Yb3+粒子數(shù)與總Yb3+數(shù)之比。由于1 064nm處Yb3+離子的吸收截面近于零，因此。對于單頻光纖激光器，諧振腔極短，僅數(shù)厘米長，在高功率LD泵浦下易實現(xiàn)高的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因此，在=0.9、Yb2O3含量為12 mol%時，1 064 nm處的增益系數(shù)可達0.9 cm-1。

當重摻雜Yb2O3時，此現(xiàn)象尤為嚴重。本實驗的硼磷酸鹽玻璃中Yb2O3摻雜重量百分比濃度在12～34 wt%之間，大大高于國外最近報道的高摻Y(jié)b2O3磷酸鹽光纖中12 wt% Yb2O3的濃度。并且由于B2O3的引入使玻璃中攜帶較多的OH-，因此有效去除硼磷玻璃中的羥基提高Yb3+離子2F5/2能級的壽命成為實驗的關(guān)鍵所在之一。

3 結(jié)語

文章研究表明，通過在磷酸鹽玻璃中引入B2O3、Al2O3和Li2O組分，大幅度提高了Yb2O3在玻璃中的溶解度（達12 mol%或33 wt%）。在玻璃中引入B2O3，增加了Yb3+離子熒光發(fā)射的帶寬，顯著增加了在1.06 μm處的熒光強度。隨玻璃中Yb2O3含量增加，Yb3+離子在1.06 μm處發(fā)射截面由0.26×10-21 cm2增加到0.33×10-21 cm2。對實驗的玻璃采用改進的RAP除水法，有效去除了玻璃中的OH-基團，使Yb3+離子2F5/2能級熒光壽命由0.14 ms增加到2.05 ms。

參考文獻

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