2μm波段硫系玻璃微球激光器的制备和表征

工作在2μm波段附近的中红外微球激光器在生物医学传感、激光雷达、窄带光学滤波和空气污染监控等领域具有重要的应用价值.本文以自制的Tm~(3+)-Ho~(3+)共掺的Ge-Ga-Sb-S (2S2G)硫系玻璃为基质材料,采用玻璃粉末高温漂浮熔融法批量制备了高品质(典型品质因数大于10~5)硫系玻璃微球.优选一颗直径为205.82μm的微球为实验对象,利用光纤锥耦合法对其进行光学近场耦合实验.在808 nm抽运光的作用下,在1.8—2.1μm波段处可观测到明显的荧光回廊模现象.当抽运功率达到0.848 mW的阈值时,可在2080 nm附近观测到明显的激光输出.上述实验结果表明本文采用的2S2G硫系玻璃具有用于制备工作在中远红外波段的有源光学/光电子学器件的潜力.     

Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S玻璃微球-石英光纤锥耦合系统的荧光回廊模特性

以熔融淬冷法自制了Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-S硫系玻璃,并以此为基质材料,用漂浮粉料熔融法制备了直径分布为50—200μm的高品质因数(Q10~4)的有源硫系玻璃微球谐振腔.在显微镜下优选出一颗表面质量好、球形度较高、直径为72.84μm的微球,与氢氧焰扫描拉锥法制备的一根腰锥直径为1.93μm的石英光纤锥进行近场耦合.根据基质材料的吸收光谱特性,选用808 nm的半导体激光器作为抽运源.实验测得光纤锥倏逝波场激发出了掺Tm~(3+)硫系玻璃微球在1460 nm附近的荧光回廊模式,其典型共振峰间隔为4.39 nm.实验测得的荧光回廊模式与米氏散射理论计算结果符合度较高(最大误差仅为0.047%),验证了本文提出的掺Tm~(3+)硫系微球制备及耦合工艺的可行性.     

808 nm LD激发下高折射率差光纤锥-硫卤微球耦合系统的荧光回廊模

用熔融淬冷法制备了0.5wt.%掺杂Nd3+:75GeS2-15Ga2S3-0CsI(0.5wt.%Nd-GGSI)硫卤玻璃.在此基础上以玻璃粉料漂浮熔融法制备出粒径为50~300μm高折射率(n≈2.1)玻璃微球,并在显微镜下选出表面质量高的硫卤微球用于后续实验.将火焰法拉制出的直径1~2μm间的双锥形石英微纳光纤与硫系微球进行近场耦合.相位匹配条件下测试结果表明光纤锥倏逝场将激发球内径向高阶回音壁模式.实验测量了在808nm LD激光泵浦下直径110μm微球的荧光光谱特性,结果表明:掺Nd3+硫卤微球在输出端1 075nm波段附近产生了等间距分布的荧光回音壁模式的光学谐振,共振峰间隔为1.80nm.实验结果与微球腔回音壁模式谐振的理论模型有较高的符合度.     

Nd~(3+)掺杂硫系玻璃微球荧光腔量子电动力学增强效应

采用粉料漂浮高温熔融法自制Nd3+掺杂硫系玻璃微球,研究了腔量子电动力学增强效应对稀土掺杂硫系玻璃微球荧光光谱的影响。把直径90.53μm的硫系玻璃微球与锥腰直径1.02μm的石英光纤锥耦合,将808nm抽运激光导入微球,荧光光谱存在分立的共振峰。根据米氏散射理论公式,计算得到TE偏振态下基模的三个共振峰位置,确定了这三个共振峰的模式序数。增强因子η≈1122,这表明微球荧光自发辐射速率增强幅度为1122倍。在基模条件下对原增强因子公式进行近似化简,并利用近似公式进行估算得到η≈1167,误差为4%。     

相位匹配下锥形光纤激发出的回廊模谐振

分别计算不同直径下锥形光纤基模和玻璃微球谐振腔内最低阶径向回廊模的传播常量,利用相位匹配条件,作出了锥形光纤与石英玻璃微球腔的直径对应关系曲线.在此基础上,选择锥腰直径2.8 μm左右的低损耗锥形光纤与直径143.1 μm球形度很好的玻璃微球腔进行近场耦合以激发球内的最低阶径向回廊模谐振,在锥形光纤的两端进行通光测试,在输出端获得了等间距分布的窄线宽滤波谱线,其吸收峰位置与利用Mie理论计算的球内最低阶径向回廊模谐振峰位置相一致.     

中红外色散平坦硫系光子晶体光纤设计及性能研究

本文以自制Ge20Sb15Se65硫系玻璃为基质材料,设计一种正八边形结构色散平坦型中红外硫系光子晶体光纤,并采用多极法对其中红外色散和传输特性进行数值研究.结果表明:控制该光纤占空比(d/Λ)在0.323—0.367之间,其色散及传输特性在3—5μm范围内可调.当孔间距Λ=3.4μm,孔直径d=1.1μm时,光纤在4.1—4.9μm波段的色散值在0.8—0.8 ps·nm 1·km 1波动,且具备单模低损耗传输(Loss0.049dB/m),小模场面积(Aeff8.46μm2)特性,适合于中红外非线性应用领域.     

Ge_(28)Sb_6S_((66-x))Se_x玻璃系统光学特性与结构

采用熔融-急冷法制备了系列Ge28Sb6S(66-x)Sex(x=0,10,20,30摩尔比)硫系玻璃样品.分别测试了样品的密度、折射率、可见-近红外透过光谱、红外透过光谱以及喇曼光谱,并分析了在Ge-Sb-S中引入Se对其物理、光学特性的影响.利用喇曼光谱讨论了玻璃的结构与特性之间的关系.结果表明:随着Se含量的增加,样品的密度和线性折射率都增大,可见和红外截止波长都发生红移,纯硫化物玻璃样品主要由GeS4四面体和SbS3三角锥组成,随着Se逐渐代替S,硫-硒混合样品中逐渐出现了GeS4-xSex结构单元以及链状和环状的Se-Se键.     

Tm~(3+)掺杂Ge-Ga-Se玻璃中红外发光特性与多声子弛豫分析

用熔融急冷法制备了系列不同Tm3+掺杂浓度的Ge30Ga5Se65玻璃样品,测试了样品折射率、拉曼光谱、吸收光谱以及800nm激光泵浦下的近红外及中红外波段荧光光谱和荧光寿命。用Judd-Ofelt理论计算了Tm3+在Ge30Ga5Se65玻璃中的强度参数Ωi(i=2,4,6)、自发辐射跃迁概率A、荧光分支比β和辐射寿命τrad等光谱参数。讨论了800nm激光泵浦下掺杂1Wt%Tm3+样品在近红外1.23,1.48和1.8μm处的发光特性及各量子效率,研究了800nm激光泵浦下的样品中红外荧光特性与掺杂浓度之间的关系,计算了常温下该基质玻璃中Tm3+:3H5→3F4跃迁对于3.8μm处的多声子弛豫速率Wmp和Ge30Ga5Se65玻璃基质中多声子弛豫常数W(0)和电子-声子结合常数α值。结果表明Ge30Ga5Se65硒基玻璃较低的声子能量可以大大降低稀土离子能级间跃迁的多声子弛豫概率,从而提高中红外荧光发光效率,因此硒基玻璃作为稀土离子的掺杂基质材料对实现中红外荧光输出是非常有利的。     

掺铒磷酸盐玻璃微球吸收光谱上的形貌共振

利用高温熔融冷却法制备了直径为82．4μm的掺铒磷酸盐玻璃微球，并利用熔融拉丝法制备了锥腰直径为2．3μm的熔锥光纤与其进行耦合，发现了掺铒玻璃微球吸收光谱中出现的等间距分布的滤波谱线。利用光学微球腔理论讨论了玻璃微球吸收光谱中的形貌共振现象，计算出该耦合系统的品质因数为1．31×10^4。利用Mie散射理论计算了谱线的吸收峰位置和峰间间距，计算结果与实验结果相符合。最后比较了两种峰间间距算法的优劣。     

Ge30Sb8Se62硫系玻璃的制备及其10.6μm低损耗空芯光子带隙光纤的设计

硫系玻璃光子晶体光纤在中远红外激光传输领域具有广阔的应用前景。制备了红外波段具有优良透过特性的Ge30Sb8Se62硫系玻璃,并以此为基质材料设计了一种适合于高功率中红外激光传输的带隙型光子晶体光纤。利用平面波展开法和有限元法分析了不同结构下该光纤的光子带隙、模场面积和限制损耗特性。通过优化光纤的结构参数,获得了在10.6μm处限制损耗小于0.1dB/m的大模场(模场面积大于100μm2)光子晶体光纤。