CN101351934B - 在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤，其制备方法和纤维激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及激光器和纤维光学。一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤，其包括提供放大的氧化物玻璃内芯，和至少一种氧化物玻璃的包层。根据本发明，该内芯含有选自硅、锗、磷、铋、铝、镓的元素的氧化物，铋氧化物的浓度为10-4-5mol％，硅和锗氧化物的浓度总计或分别为70-99.8999mol％，铝和镓氧化物的浓度总计或分别为0.1-20mol％，磷氧化物的浓度为0-10mol％，且提供了至少为光纤中非共振损失因子10倍以上的最大光学增益。外部氧化物玻璃包层包括熔融二氧化硅。该光纤内芯在1000nm区域内具有吸收带，与激励至其他吸收带而产生1000-1700nm范围发光相比，激励至该区域能提供1000-1700nm范围内激励光至发光的更高能量转化。该光纤在由750-12000nm波长的光激励时，发出1000-1700nm范围的光，发光带的半高度宽度超过120nm，发光带边界定义为，发光密度降低为发光带中1000-1700nm光谱范围内最大密度的一半的点。

Description

在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤，其制备方法和纤维激光器
技术领域
本发明通常涉及纤维光学，更具体地说，涉及在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤，其制备方法和包含放大光纤的纤维激光器。
本发明适合用于光学联络系统，例如熔融二氧化硅透明区域为1000-1700nm的宽带放大器和激光器。本发明还可以用于提供需要宽活性材料放大带的调谐激光器和飞秒纤维激光器。该激光器还适用于需要组织光谱选择性暴露于辐射下的领域中，尤其是在医药中，以及在材料处理，环境诊断和化学中。
背景技术
在1000-1600nm的近红外区域中，在铋掺杂的玻璃，例如二氧化硅、磷酸盐、锗酸盐和硼酸盐玻璃中发光已经由Y.Fujimoto和M.Nakatsuka在Jpn.J.Appl.Phys.，40(2001)，p.L279中报道。玻璃发光带的宽度超过100nm，且寿命超过100μs，而带光谱位置取决于玻璃成分。
X.Meng等在Optics Express，13(2005)，p.1635中报道了他们观察到在掺杂了铋的钡-铝硼酸盐玻璃中的吸收峰中，在波长465和700nm下，发现2个由发光中心引起的吸收峰。同一作者在Optics Express，13(2005)，p.1628中进行了报道，他们发现在掺杂了铋的磷酸铝玻璃的吸收光谱中，在波长460和700nm下，发现由发光中心引起的2个吸收峰，在掺杂了铋的锗酸铝玻璃的吸收光谱中，在波长500，700和800nm下观察到三个吸收峰，在1000nm下观察到曲线变平。
Y.Fujimoto和M.Nakatsuka在Jpn.J.Appl.Phys.40(2001)，p.L279中，在掺杂了铋的硅酸铝玻璃的吸收光谱中，在波长500、700和800nm下观察到3个由发光中心引起的吸收峰。如在该文章中陈述的，研究的石英和铝/石英玻璃仅在其掺杂了铋和铝时才显示出发光。
同一作者(Appl.Phys.Lett.，82(2003)，p.3325)阐述了在掺杂了铋的硅酸铝玻璃中，由808nm激励时，在1300nm波长测试信号放大，其中，在该光谱范围中，在样本中，增益比光学损失要小。
上述玻璃的通常缺陷是在发光范围内存在高程度的光学损失以及增益没有超过光学损失级别，这阻碍在其基础上产生放大器。
无法从公开的数据上得出结论是否原则上能在具有该组合物的该玻璃或纤维的基础上产生放大器。在激励中放大的测试信号密度可能由于吸收饱和引起，因此其不能用于光学放大。
与本发明最相关的是放大光纤(例如JP专利JP2004020994，标题为“用于光学放大的玻璃纤维”)。玻璃纤维内芯的阿贝值大于或等于包层材料的阿贝值，因此可以获得激励模式区域和信号模式区域更良好的重叠，其可以提高光学放大特性。纤维内芯优选由含有氧化铋的氧化物玻璃构成，因此其能提供在950-1600nm内的光学放大。除了氧化铋以外，纤维内芯还含有氧化铝和选自MgO、CaO、SrO、BaO、ZnO的二价金属氧化物。
然而，该专利并没有提及在具有该组合物的光纤中的光学放大，以及在放大范围内，增益是否超过光学损失。在具有该组合物的玻璃中存在的发光并不能确认是光学放大的能力。因此，该专利缺少原则上能用于产生光学放大器的光纤的信息。
内芯玻璃成分的浓度范围在该专利中也没有提及。已知在过量的玻璃栅格改性剂的存在下，在硅酸盐玻璃中会开始相分离过程，其会导致形成显著的光学不均匀性和提高的散射损失，结果光学损失远大于增益，且活性中心的过量浓度会导致达到淬火浓度，使得放大效率降低至消失点。
在该专利中提及的优选应用范围为1300-1320nm，然而，如在附图中所示的，该范围内的发光带密度增加2倍，且与1180nm范围内的最大值相比，其在1600nm范围内降低了约一个数量级；在这些光谱范围内，这会显著影响放大效率，且能引起与增强自发性发光相关的问题。不利之处还包括为了使用改善的光学放大特征，需要将活性纤维激励至单模式核心，然而，最强力和有效的激励目前通过使用多模式二极管辐射源获得。因此，现有技术具有限制性的应用领域且其不适合产生高能量激光器和放大器。
在日本专利JP11029334中公开了制备光纤的方法。该方法包括下述步骤：将精细分散沸石与亚硝酸铋水溶液混合，制备凝胶并在脱水后烧结凝胶，从而获得含有氧化铋掺杂剂的硅酸盐玻璃，并由玻璃形成光纤。该方法是用于制备玻璃的溶胶-凝胶法的改进。
然而，由该方法制备的玻璃中的光学损失数据在该专利中并没有提及。
如公知的，通过溶胶-凝胶法制备的玻璃纤维会产生较高的光学损失，这是由于该方法无法将玻璃从不期望的杂质程度纯化至例如在化学气相沉积中能达到的程度，这成为溶胶-凝胶法的缺陷。由溶胶-凝胶法制备的熔融二氧化硅制备高质量光纤是不可能的，这是由于在玻璃中存在残留的化学试剂，在加热至拉伸光纤中需要的高温，会在玻璃中形成气泡，这导致在光纤结构中形成缺陷，影响光纤的强度，必然导致光学损失增加，且通常引起玻璃纤维的均匀断裂。另一个缺陷需要花费相当复杂和长时间的制备过程，如在说明书中陈述的，需要几个星期。
与本发明最相关的是氧化物的改性化学气相沉积(MCVD)，其形成内芯并通过氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上反应而产生，该方法包括如下步骤：在1700-2000℃下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述元素的氯化物蒸气，接着在2000-2100℃升高的温度下，在表面张力下对管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被拉伸为光纤(例如“Optical Fiber Communications”，Vol.1 Fiber Fabrication，edited by Tingye Li，1985Academic Press，Inc.)。
最相关的方法包括等离子体化学气相沉积(PCVD)、其变型方法(SPCVD)、外部气相沉积(OVD)、气相轴向沉积(VAD)(“Optical Fiber Communications”，Vol.1 Fiber Fabrication，edited by Tingye Li，1985 Academic Press，Inc.)。
然而，列出的方法均没有公开向氧化物玻璃中添加氧化铋的方法。
与根据本发明的纤维激光器最相关的是基于含有稀土离子的熔融二氧化硅纤维的纤维激光器(例如Digonnet“Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifers”second edition，corrected and amended，Marcel Dekker，Inc.，2001)。该公开的激光器可以在相应于熔融二氧化硅透明区域的1000-1700nm范围内的不同区域内工作。
该激光器的问题是在1000-1700nm范围内相对小的放大带宽，这是由于在熔融二氧化硅的该光谱区域内稀土离子相对窄的发光带(小于100nm)，以及通过该改性玻璃组合物，发光带光谱位置没有显著的改变。结果，可能的波长调整区域和该激光器的最小脉冲持续时间受到限制，而熔融二氧化硅透明区域的重要部分依然无法使用。
目前，在1200-1500nm范围内还没有有效的激光器和宽带放大器，其需要在将活性纤维与熔融二氧化硅连接时具有低程度的插入损失。
发明概述
本发明的一个目的是提供一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤，其包括熔融二氧化硅包层，其中，预定百分比的包含氧化铋的组成氧化物，与现有技术的熔融二氧化硅纤维放大器相比，能确保扩展放大带宽，且由于光学增益，比光纤中的无驻波损失因子至少高一个数量级，因此提供了有效的放大。
本发明的一个目的是提供一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，其包括如下的改性气相沉积方法，确保：预定百分比的包含氧化铋的组成氧化物；有效降低不期望杂质的浓度；制备与现有技术熔融二氧化硅纤维放大器相比，放大带宽提高的光纤，且由于光学增益比光纤中的无驻波损失因子至少高一个数量级，能确保有效的放大。
本发明的一个目的是提供一种用于在1000-1700nm的波长范围产生光的纤维激光器，其中，使用在1000-1700nm的波长范围工作，并具有预定百分比组成的放大光纤，其使得激光波长可调范围与现有技术的基于掺杂了稀土离子的石英纤维相比，得到扩展，且在活性纤维与熔融二氧化硅通过接合接触时具有低程度的插入损失；该放大纤维是商业上可利用的，且能最广泛地用于纤维光学单模式和多模式二极管激光器中，包括在980nm波长运转的激光器。
本发明的目的可以通过提供如下的在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤实现：其包括含有选自硅、锗、磷、铝、镓元素的氧化物的玻璃内芯，并提供了光学放大作用，和至少一种氧化物玻璃的包层，该光纤的特征在于内芯含有选自硅、锗、磷、铋、铝、镓元素的氧化物，氧化铋的浓度为10-4-5mol％，硅和锗的浓度总计或分别为70-99.8999mol％，铝和镓氧化物的浓度总计或分别为0.1-20mol％，磷氧化物的浓度为0-10mol％，且提供了至少为光纤中非共振损失因子10倍以上的增益；该外部氧化物玻璃包层包括熔融二氧化硅；其中，光纤内芯在由750-1200nm波长的光激励时，发出1000-1700nm波长的光，半高度宽度的发光带超过120nm，发光带边界定义如下：发光密度降低为发光带中最大密度的一半，且在1000-1700nm的光谱范围内。该内芯在1000nm区域内具有吸收带，与激励至其它吸收带相比，激励至该区域可以提供1000-1700nm范围内激励光至发光的更高能量转化。
光纤优选包含外部保护聚合物包层。
氧化硅和氧化锗的相对浓度优选为0-100％。
氧化铝和氧化镓的相对浓度优选为0-100％。
光纤的放大带位置优选由内芯玻璃组合物中硅和锗氧化物浓度的关系来确定，从而提高氧化锗的浓度可将放大带移至长波区域。
外部保护聚合物包层的折射指数优选小于外部熔融二氧化硅包层的折射指数，从而能沿着光纤内芯和包层传播激励光。
外部保护聚合物包层的折射指数优选大于外部熔融二氧化硅包层的折射指数，从而能仅沿着光纤内芯传播光线。
本发明的目的是可以通过提供制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法来实现，其包括如下步骤：制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述元素的氯化物蒸气，接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对该管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤，所述方法的特征在于，在10-35mmHg的分压下，将所述氯化物、氯化铋的蒸气同时通入熔融二氧化硅管，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度并将所得蒸气导入所述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应在主流中形成氧化铋，从而在内芯玻璃中掺杂氧化铋。
化学蒸汽沉积方法优选选自改性化学气相沉积(MCVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)及其变型方法(SPCVD)。
根据本发明的另一方法，提供了一种用于制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法，包括如下步骤：制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物改性化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述元素的氯化物蒸气，从而在管的内表面制备形成内芯的多孔玻璃层，该方法的特征在于：将硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸(50-90％HNO3)溶液倒入管中并在其中保持1-3小时；在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水；在1700-2000℃的温度下，在含有氧气、氮气和含氯试剂的气流中对管进行加热，将多孔玻璃层转化为固体层；接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法，包括如下步骤：通过包括如下的外部化学气相沉积制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物是通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；通过降低供应的所述元素氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层；将该光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒上移出；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃；并将预成型品拉伸为光纤，所述方法的特征在于，在形成预成型品内芯时，在光纤内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度，并将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入所述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与所述元素的氧化物一并沉积。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法，通过包括如下的外部化学气相沉积制备预成型品：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得通过包括如下的外部化学气相沉积制备预成型品：；通过降低导入的所述元素氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层；将该光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒上移出；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃；并将预成型品拉伸为光纤，所述方法的特征在于，在形成该内芯后，将棒与多孔玻璃内芯一起冷却至室温，并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸(50-90％HNO3)溶液中，并在其中保持1-3小时；在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和，由此形成包层。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法，包括如下步骤：通过包括如下的气相轴向沉积法制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯和包层，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；通过调整导入共轴燃烧器火焰的所述氯化物浓度的空间分布而设定折射指数曲线；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃棒至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并制备预成型品，然后其被拉伸为光纤，所述方法的特征在于，在制备预成型品时，在内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度，并在共轴燃烧器的中心部位将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入所述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与所述元素的氧化物一并沉积。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于制备在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的方法，包括如下步骤：通过包括如下的气相轴向沉积法制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；所述方法的特征在于，在形成多孔玻璃内芯后，将内芯冷却至室温并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸(50-90％HNO3)溶液中，并在其中保持1-3小时；在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃内芯至1400-1600℃，以将多孔玻璃棒转化为固体玻璃棒；形成包层以制备预成型品，其将被进一步拉伸为光纤。
包层优选通过如下的外部气相沉积法形成：在1300-1500℃的温度下，在所述内芯棒的表面上，通过氧化硅的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃，该氧化硅是通过使氧气与氯化硅蒸气反应获得；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热该多孔玻璃至1400-1600℃，以将多孔玻璃转化为固体玻璃。
包层优选通过如下形成：将内芯棒导入石英管的腔室内，接着在2000-2100℃的温度下，在表面张力下挤压该管而制备固体棒形光纤预成型品。
本发明的目的可以通过一种在1000-1700nm的波长内产生光线的纤维激光器来实现，该激光器包括：至少一个用于放大激光的放大光纤；光激励源；用于将激励光导入所述光纤的装置；为激光器产生的光沿着所述光纤提供多通路的光共振器；用于从共振器输出产生光线的装置，其中，根据本发明，放大光纤是根据权利要求1-7任一项制备的光纤。
该激励光的波长范围优选为750-1200nm。
能提供最大产生效率的激励光的波长范围优选为850-1100nm。
该纤维激光器优选包括至少一种在根据权利要求1-7任一项的光纤内芯上写入的Bragg光栅。
附图说明
通过参考以下优选实施方式的详述和附图，能更容易地获得本发明完整的理解，其中：
图1示出了根据本发明具有内芯的铋掺杂光纤的光学损失光谱，该内芯还含有Al2O3和SiO2；
图2示出了根据本发明具有内芯的铋掺杂光纤中的发光光谱，该内芯还含有Bi2O3、Al2O3、GeO2、P2O5、SiO2(曲线1)和Bi2O3、Al2O3、SiO2(曲线2)；在1064nm区域的峰由用于激励发光的Nd:YAG激光引起；
图3示出了根据本发明的激光器的流程图，其中，Bragg光栅用于形成共振器；
图4示出了根据本发明的激光器的流程图，其中，光纤耦合器用于形成共振器；
图5示出了根据本发明的具有基于光纤耦合器共振器的激光器的激光光谱，其中，活性纤维具有熔融石英包层和含有Bi2O3、Al2O3、SiO2的内芯。
优选实施方式详述
在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤，其包括用于提供放大的氧化物玻璃内芯和至少一个氧化物玻璃包层。
该内芯含有选自硅、锗、铋、铝、镓的元素氧化物，其中，氧化铋的浓度为10-4-5mol％，硅和锗的浓度总计或分别为70-99.8999mol％，铝和镓氧化物的浓度总计或分别为0.1-20mol％，内芯提供了至少为光纤中非共振损失因子10倍以上的增益，从而提供了有效的放大。
氧化物玻璃光纤的包层由熔融二氧化硅组成，其在将活性纤维与熔融二氧化硅连接时具有低程度的光学插入损失。
与其它玻璃相比，该光纤的内芯在1000nm区域具有吸收带，与激励至其它吸收带相比，激励至该区域提供了将激励光转化为1000-1700nm发光的最有效的能量。与激励至位于光谱更短波部分的吸收带相比，这提供了从激励态的较低的量子损失和最小的吸收。此外，能够在与纤维光学中最通常的用于镱和铒-镱激光器二极管激励相对应的980nm波长处激励。
该光纤内芯在由750-1200nm波长的光激励时，发出1000-1700nm波长的光，半高度宽度的发光带超过120nm，发光带边界定义为发光密度降低为位于1000-1700nm的光谱范围内的发光带中最大值密度一半的点。
下表列出了一些研究放大光纤的内芯中的硅、锗、铝、镓、铋的氧化物浓度，该光纤具有最大的增益/光学损失比。
图1示出了典型的损失光谱。光纤包括熔融石英包层和含有氧化硅、氧化铝和氧化铋的内芯。在1000nm波长处的活性损失级别比在1.3μm区域的光学损失级别大约50倍，其中，吸收带密度在此时可以忽略不计。
图2示出了典型的发光光谱。曲线1对应于所述具有包含氧化硅、氧化铝和氧化铋的内芯的光纤。曲线2对应于由氧化硅、氧化铝、氧化镓、氧化磷和氧化铋构成内芯的光纤，且通过ND:YAG激光器产生的1064nm波长的激励形成。在内芯中没有氧化镓的光纤中，发光带在1120nm区域有最大值且带宽150nm，而在具有包含氧化镓的内芯的光纤中，发光带在1205nm区域有最大值且带宽180nm。
在实施例中，对于制备的具有由氧化硅、氧化铝和氧化铋构成内芯的光纤(在1150nm波长处获得6×10-21cm-2的最大发光横截面)在1150nm波长处的最大增益为0.7dB/m，但非共振损失减小超过70倍。
描述了在1064nm波长处，通过Nd:YAG激光器激励的光纤中的信号放大。信号源是Bragg光栅，其在1215nm波长处具有高折射因子(大于20dB)，光栅被写入锗-硅酸盐纤维上并接合至活性纤维的一个端面上。通过借助于透镜，将激光聚焦到纤维端面上，完成激励至含有Bragg光栅的锗-硅酸盐纤维内芯的自由端面上。通过活性纤维的自由端面输出信号。在该例子中，在通过活性纤维，经过光栅反射的信号后，确认有9dB的放大。增益超过纤维中非共振损失程度的20倍。增益与理论预测一致，且一方面由于不足的激励能和纤维的过长，以及由于激励光冲击到光纤放大带，因此增益与可能的最大值不同。
光纤的优选实施方式包括外部保护聚合物包层。
在本发明的光纤中，氧化硅浓度相对于氧化锗浓度为0-100％，且锗浓度相对于氧化硅浓度为100％-0。
氧化铝浓度相对于氧化镓浓度为0-100％，且氧化镓浓度相对于氧化铝浓度为0-100％。
光纤放大带的位置由氧化硅与氧化锗浓度的关系限定，这使得增加氧化锗浓度能将放大带移至长波区域。通过改变玻璃成分的浓度比例，在具有包含氧化硅、氧化铝、氧化锗和氧化铋内芯的光纤中，最大放大带能移至1064nm并激励至1300nm区域。
图2示出了具有如下两种内芯的光纤的发光光谱，一种由氧化硅、氧化铝和氧化铋组成，另一种由氧化硅、氧化铝、氧化锗、氧化磷和氧化铋组成。添加氧化锗能将发光带最大值移至更长波的区域。
外部保护聚合物包层的折射指数小于外部熔融二氧化硅包层的指数，从而能沿着光纤内芯和包层传播激励光。这使得能沿着包层进行纤维的激励以及使用用于激励的高能多模式二极管激光器。
在另一个实施方式中，外部保护聚合物包层的折射指数大于外部熔融二氧化硅包层的指数，从而当需要从纤维输出沿着包层传播的乱真辐射时，能仅沿着光学纤维内芯传播光线。
一种在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的制备通过如下方法完成。
制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和上述元素的氯化物蒸气，接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对该管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤，
此外，在10-35mmHg的分压下，将列出的氯化物与氯化铋的蒸气同时通入熔融二氧化硅管，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度并将所得蒸气导入上述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应在主流中形成氧化铋，从而在内芯玻璃中掺杂氧化铋。
化学蒸汽沉积方法优选选自改性化学气相沉积(MCVD)、等离子体化学气相沉积(PCVD)及其变型方法(SPCVD)。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤4、7、11、14通过MCVD法制备，光纤10通过PCVD法制备，光纤5通过SPCVD法制备。
用于制备在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的方法的实施方式可以通过如下方法完成。
制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物改性化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述元素的氯化物蒸气，从而在管的内表面制备形成内芯的多孔玻璃层。
将硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋的浓硝酸(50-90％HNO3)溶液倒入管中并在其中保持1-3小时。在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水。
在含有氧气、氮气和含氯试剂流中，将管加热至1700-2000℃的温度，将多孔玻璃层转化为固体层。接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤2、8、15通过MCVD法制备，其中，氧化铋是通过将多孔玻璃层浸入硝酸铋溶液的方法而掺杂入内芯中。
制备在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的方法的另一个实施方式可以如下完成。
通过外部化学气相沉积制备光纤预成型品，该方法包括：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物是通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得。
通过降低供应的上述元素氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层。
将光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒上移出。在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃的温度，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并将预成型品拉伸为光纤。
在形成预成型品内芯时，在光纤内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度，并将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入上述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与上述元素的氧化物一并沉积。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤13通过上述外部蒸气沉积(OVD)法制备。
制备在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的方法的另一个实施方式可以通过如下方法完成。
通过外部化学气相沉积制备光纤预成型品，该方法包括：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得。
通过降低导入的上述元素氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层。将光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒移出。
在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并将预成型品拉伸为光纤。
在形成内芯后，将棒与多孔玻璃内芯一起冷却至室温，并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸(50-90％HNO3)溶液，并在其中保持1-3小时。然后，在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水，并形成包层。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤1通过外部气相沉积法(OVD)制备，其中，使用上述将多孔玻璃层浸入含有硝酸铋的溶液中的方法将氧化铋导入内芯中。
制备在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的方法的另一个实施方式可以如下完成。
通过气相轴向沉积法制备光纤预成型品，包括：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯和包层，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得。
通过调整导入共轴燃烧器火焰的所述氯化物浓度的空间分布而设定折射指数曲线。在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃棒至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并制备之后拉伸为光纤的预成型品。
在制备预成型品时，在内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度，并在共轴燃烧器的中心部位将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入所述元素氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与所述元素的氧化物一并沉积。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤9，12通过气相轴向沉积法(VAD)制备。
制备在1000-1700nm波长范围工作的放大光纤的方法的另一个实施方式可以如下完成。
通过气相轴向沉积法制备光纤预成型品，其包括：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得。
在形成多孔玻璃内芯后，将内芯冷却至室温并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋的浓硝酸(50-90％HNO3)溶液，并在其中保持1-3小时。
在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水，在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃内芯至1400-1600℃，以将多孔玻璃棒转化为固体玻璃棒；形成包层以制备进一步拉伸为光纤的预成型品。
在一个实施方式中，包层优选通过包括如下的外部气相沉积法形成：在1300-1500℃的温度下，在所述内芯棒的表面上，通过氧化硅的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃，该氧化硅是通过使氧气与氯化硅蒸气反应获得；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加该热多孔玻璃至1400-1600℃，以将多孔玻璃转化为固体玻璃。
在另一个实施方式中，包层通过如下形成：将内芯棒导入石英管的腔室内，接着在2000-2100℃的温度下，在表面张力下挤压该管而制备固体棒形光纤预成型品。
表中列出了一些研究的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、氧化铋的浓度。具体地，光纤3通过气相轴向沉积法(VAD)制备，其中，使用上述将多孔玻璃层浸入含有硝酸铋的溶液中的方法将氧化铋导入内芯中。
一种用于产生波长为1000-1700nm光线的纤维激光器，该激光器包括：至少一个用于放大激光的光纤1；光激励源2；用于将激励光导入光纤的装置3；用于为激光器产生的光沿着所述光纤提供多通路的光共振器4；用于从共振器输出产生光线的装置5
根据本发明，在激光器中使用的放大光纤是上述的光纤。
实施例1
使用含有氧化硅、氧化铝和氧化铋内芯的光纤，以1064nm波长激励，在波长1150、1215、1250和1300nm处演示发出激光。
使用Bragg光栅以形成共振器(图3)。光栅被写入标准锗-硅酸盐纤维上，其中，输出光栅具有3dB的折射因子，且匹配光栅具有大于20dB的高折射因子。
在约2.5W的激励能下获得的最大输出能在波长1150nm处为460mW，在1215nm处为400mW。
在1150nm处发出激光的情况下，激光射阈为210mW，基于输入能量，差分效率为20.4％。在1215nm处发出激光的情况下，激光射阈为495mW，差分效率为28.6％。这些值与理论数据非常吻合，且在实践中通过如下可以得到充分改善：
a)使用具有写入光栅的光纤，该光栅的参数与活性纤维的吻合。这能降低在接合部分的损失，在此实施例中，其为每共振器程2dB，由光学放大纤维和包含Bragg光栅的纤维的模式点的不同直径所导致；
b)由于过长会提高共振损失，因此降低活性纤维过量的长度。这首先是由于激光器介质的部分三级特征，即，由于产生的光被光纤的不足激励部分吸收。在较小的程度上，是由于增加的被动损失。
光谱范围研究并不能确定激发态的低吸收导致发射激光效率明显受限的原因，该激发态是由激励至在1000nm范围具有最大值的带所引起的。
实施例2
在具有用于形成共振器的光纤耦合器6的激光器循环(图4)中，在1120-1220nm内研究发射激光。耦合器6基于标准锗-硅酸盐纤维制备。所得共振器在1.1-1.2nm带具有高的折射因子(大于80％)。该活性纤维具有熔融石英包层和由SiO2、Al2O3、Bi2O3构成的内芯。图5a和图5b显示在激光器中激励至1064nm获得的发射激光光谱。由于共振器较小的选择性，当稍微超过激光射阈时，会立刻开始出现多重纵模形式的发射激光，同时峰的光谱位置是不稳定的，即，实现了“自由发射激光”方式。随着激励能的增加，峰的数量减少，但事实上，当阈显著增加时，最大的峰仍在1170nm区域(图5b)。
如在图5a中所示，在具有约100nm带宽的带中产生自由态发射激光，这能通过向循环中添加用于提供光谱模式选择的成分来调节发射激光波长。在该例子中，带宽可以通过减少共振器中的附加损失程度和优化激光器循环而增宽。
激励光波长为750-1200nm，与激励至其它位于光谱更短波部分的吸收带相比，其提供了较小的量子损失和从激励态较低的吸收。
能提供最高发射激光效率的激励光波长为850-1100nm，该处，从激励态的吸收较小，而活性吸收更集中，与放大带的重叠比在1100-1200nm范围内要小。
在一个实施方式中(未示出)，纤维激光器包含至少一个写入掺杂锗的放大光纤内芯上的Bragg光栅。
如上所述，本发明提供了一种新型光纤，其具有波长调节，适用于在1000-1700nm范围内的清晰激光器，其超过了已知激光器类似特征。可以在目前还不能实际使用的1300nm、1000-1200nm和1400-1500nm内，在第一电信传送窗内提供有效的纤维激光器和宽度放大器。可以生产1000-1700nm范围的新型可调及飞秒纤维激光器。本发明成功地实现了将活性纤维与熔融二氧化硅连接时的低程度的光学插入损失。
表
在一些具有最大增益/光学损失比率的放大光纤内芯中硅、锗、铝、镓、铋的氧化物浓度
No.   SiO2，mol％   GeO2，mol％  Al2O3，mol％   Ga2O3，mol％   P2O5，mol％   Bi2O3，mol％
  1   95   -   5   -   -   0.0001
  2   95   3   1   0.5   0.5   0.08
  3   93.5   2   -   1.5   1   0.005
  4   93   2   4   -   0.9   0.1
  5   92   1.3   5   0.3   -   0.001
  6   89   3   -   5   1.5   0.02
  7   87.5   1.5   7   -   2   2
  8   91   -   9   -   -   0.03
  9   88.5   9   1   -   1.5   0.002
  10   88   -   10   -   -   0.5
  11   86   1   12   -   1   0.004
  12   80   5   6   1   6   1.1
  13   78   20   1   -   0.9   0.1
  14   -   98   2   -   -   0.01
  15   46   52   1   -   -   0.6

Claims (9)

1.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述氯化物蒸气，接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对该管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤，
所述方法的特征在于：
在10-35mmHg的分压下，将所述氯化物、氯化铋的蒸气同时通入熔融二氧化硅管，为了这个目的，可以将固体氯化铋加热至70-200℃的温度并将所得蒸气导入所述氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应在主流中形成氧化铋，从而在内芯玻璃中掺杂氧化铋。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，所述化学蒸汽沉积方法选自改性化学气相沉积、等离子体化学气相沉积及其变型方法。
3.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
制备光纤的预成型品，是在作为包层的熔融二氧化硅的内表面上，通过氧化物改性化学气相沉积形成内芯，其通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应而获得，该沉积方法包括：在1700-2000℃的温度下向熔融二氧化硅管中通入氧气和所述氯化物蒸气，从而在管的内表面制备形成内芯的多孔玻璃层，
该方法的特征在于：
将硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸溶液倒入管中并在其中保持1-3小时，该浓硝酸的浓度为50-90％；
在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水；
在1700-2000℃的温度下，在含有氧气、氮气和含氯试剂的气流中对管进行加热，将多孔玻璃层转化为固体层；
接着在2000-2100℃温度下，在表面张力下对管进行挤压以制备固体棒状光纤预成型品，然后其被进一步拉伸为光纤。
4.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
通过包括如下的外部气相沉积方法制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物是通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；
通过降低供应的所述氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层；
将该光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒上移出；
在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并将预成型品拉伸为光纤，
所述方法的特征在于：
在形成预成型品内芯时，在光纤内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，将固体氧化铋加热至70-200℃的温度，并将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入所述氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与所述氧化物一并沉积。
5.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
通过包括如下的外部化学气相沉积制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在陶瓷棒的表面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成内芯预成型品，该氧化物通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；
通过降低导入的所述氯化物的浓度，同时维持氯化硅的浓度而形成包层；
将该光纤预成型品冷却至室温并将预成型品从陶瓷棒上移出；
在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热预成型品至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并将预成型品拉伸为光纤，
所述方法的特征在于：
在形成该内芯后，将棒与多孔玻璃内芯一起冷却至室温，并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋的浓硝酸溶液中，并在其中保持1-3小时，该浓硝酸的浓度为50-90％；
在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水，由此形成包层。
6.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
通过包括如下的气相轴向沉积法制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯和包层，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；
通过调整导入共轴燃烧器火焰的所述氯化物浓度的空间分布而设定折射指数曲线；
在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃棒至1400-1600℃，以将多孔玻璃层转化为固体玻璃，并制备预成型品，然后其被拉伸为光纤，
所述方法的特征在于：
在制备预成型品时，在内芯中掺杂氧化铋，为了这个目的，以将固体氧化铋加热至70-200℃的温度，并在共轴燃烧器的中心部位将所得氯化铋蒸汽以10-35mmHg的分压导入所述氯化物的主流中，使通过氧气和氯化铋蒸汽之间的反应形成氧化铋，并与所述氧化物一并沉积。
7.一种在1000-1700nm的波长范围工作的放大光纤的制备方法，包括如下步骤：
通过包括如下的气相轴向沉积法制备光纤预成型品：在1300-1500℃的温度下，在成长预成型品的一端面上，通过氧化物的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃的形式形成棒形内芯，该氧化物是在共轴燃烧器的火焰中，通过使氧气与选自硅、锗、磷、铝、镓的氯化物蒸气反应获得；
该方法的特征在于：
在形成多孔玻璃内芯后，将内芯冷却至室温并浸入硝酸铋在溶液中的浓度为0.01-0.5mol/l的硝酸铋浓硝酸溶液中，并在其中保持1-3小时，该浓硝酸的浓度为50-90％；
在室温下，在氧气和氮气流下干燥溶剂-硝酸和水；
在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热多孔玻璃内芯至1400-1600℃，以将多孔玻璃棒转化为固体玻璃棒；
形成包层以制备预成型品，其将被进一步拉伸为光纤。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于：
所述包层通过包括如下的外部气相沉积法形成：在1300-1500℃的温度下，在所述棒状内芯的表面上，通过氧化硅的气相沉积，以精细分散颗粒形成多孔玻璃，该氧化硅是通过使氧气与氯化硅蒸气反应获得；在含有氧气、氦气和含氯试剂的气氛下加热该多孔玻璃至1400-1600℃，以将多孔玻璃转化为固体玻璃。
9.根据权利要求7的方法，其特征在于：
包层通过如下形成：将内芯棒导入石英管的腔室内，接着在2000-2100℃的温度下，在表面张力下挤压该管而制备固体棒形光纤预成型品。
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