CN102203023B - 光放大玻璃 - Google Patents

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Abstract

提供可以增加Yb3+的吸收的光放大玻璃。该玻璃是以下述氧化物为基准，以摩尔％表示，含有30-55％的Bi2O3，25-50％的SiO2和B2O3中的至少任一方或者合计为25-50％的SiO2和B2O3，12-27％的Al2O3和Ga2O3中的至少任一方或者合计为12-27％Al2O3和Ga2O3，0-4％的La2O3，0.1-4％的Yb2O3，实质上不含有Er2O3，用于1.0-1.2μm波长的光的放大的光放大玻璃。以所述光放大玻璃为芯部的光波导。

Description

光放大玻璃
技术领域
本发明涉及适于放大1.0～1.2μm的波长的光的光放大玻璃。
背景技术
作为加工用激光器，近年来，不断进行着代替固体的YAG激光器的由添加Yb的纤维构成的纤维激光器的开发。而纤维激光器的特征有：因光的传送模式受到限定，所以其光束品质良好的特征，以及因采用极细的纤维，所以其散热良好，不需要冷却的特征。
然而，添加Yb的纤维通常采用以石英玻璃为基质的纤维。而以石英为基质的添加有Yb的单模纤维在975nm附近所出现的Yb3+的吸收通常是0.8～3.5dB/cm左右。另外，玻璃中的Yb3+的吸收在975nm附近出现尖锐的峰，而在对此较短的波长侧的915nm附近出现其它吸收峰(参考非专利文献1)。作为添加有Yb的纤维的激发波长，通常采用975nm或915nm，或低于975nm且超过915nm的波长。
非专利文献1：IEEE J.量子电子(Quantum Electron).，vol.33，pp.1049-1056，1997
发明内容
以石英为基质的添加有Yb的单模纤维的所述Yb3+的吸收最大也只不过为3.5dB/cm左右，所以无法充分缩短发光所需的纤维长度。由此可能会出现如下问题：在使脉冲激光振荡时，无法使振荡的重复次数足够多，也无法充分地抑制与纤维长度成正比而增强的感应布里渊散射的影响，从而无法获得稳定的放大。
另外，以石英为基质的Yb添加单模纤维中，在915nm附近和975nm附近的峰之间形成吸收谷，其吸收量降低至915nm值的一半以下。因此，在采用半导体激光作为激发光时，存在因波长的更替激发光的吸收效率变化，容易发生输出功率变动的问题。
本发明的目的在于提供能够解决上述问题的光放大玻璃、光波导以及光纤。
本发明提供如下的用于1.0-1.2μm波长的光放大的光放大玻璃(以下也称为第1光放大玻璃)：以下述氧化物为基准，以摩尔％表示，含有30-55％的Bi2O3，25-50％的SiO2和B2O3中的至少任一方或者合计为25-50％的SiO2和B2O3，12-27％的Al2O3和Ga2O3中的至少任一方或者合计为12-27％Al2O3和Ga2O3，0-4％的La2O3，0.1-4％的Yb2O3，实质上不含有Er2O3。另外，例如“含有0-4％的La2O3”是指La2O3不是必须的，但可以含有其至4％。
另外，本发明提供还提供如下的的光放大玻璃(以下也称为第2光放大玻璃)：以下述氧化物为基准，以摩尔％表示，含有30-55％的Bi2O3，25-50％的SiO2和B2O3中的至少任一方或者合计为25-50％的SiO2和B2O3，12-27％的Al2O3和Ga2O3中的至少任一方或者合计为12-27％的Al2O3和Ga2O3，0-4％的La2O3，0.1-4％的Yb2O3，实质上不含有Er2O3以及Tm2O3。另外，所述光放大玻璃典型地用于1.0-1.2μm的波长的光的放大。
另外，本发明提供以所述光放大玻璃为芯部的光波导。
另外，本发明提供以所述光放大玻璃为芯部的光纤。
如果通过本发明的话，基于Yb的吸收量大，显示强发光，为此就可以缩短所需的纤维长度，例如，在使脉冲激光振荡时，可通过缩短共振器的长度，以增加振荡的重复数。另外，通过抑制与纤维长度成正比而增强的感应布里渊散射的影响，就能够稳定放大。
另外，如果吸收峰尖锐的话，则基于激发波长的激发光被吸收的比例改变，所以就需要严密地选择激发光波长，但是如果采用本发明的良好的方式的话，则可以通过具有较宽的吸收带保持激发波长的宽度，例如，可以扩大半导体激光器的发光波长的许可范围。
附图的简单说明
图1为表示本发明的光放大玻璃的吸收光谱的图。
实施发明的方式
本发明的光放大玻璃(以下，也称为本发明的玻璃)通常使用于芯部/包覆层结构的光波导，例如，使用于同结构的玻璃纤维或同结构的平面波导的芯部。另外，这样的芯部/包覆层结构的光波导是本发明的光波导，同结构的玻璃纤维为本发明的光纤。
本发明的光纤中的芯部直径、包覆层的直径分别典型地为2-10μm，100-400μm。另外，将本发明的光纤用于高输出功率用光纤时，其芯部的直径较好是10-25μm。
本发明的光波导以及光纤适合于1.0-1.2μm的波长的光的放大。
所述放大是通过同时将需要被放大的光(信号光)和激发光射入芯部而进行的，作为所述激发光，通常使用波长为900-1000nm的光。
本发明的玻璃的吸收系数(吸光度)较好是在对于940-990nm的波长区域中的任一波长为4dB/cm以上。即，该波长区域中的吸收系数的最大值A(p)较好在4dB/cm以上。
本发明的玻璃对于940nm的波长的吸收系数A(940)较好在1dB/cm以上。低于1dB/cm时，A(p)容易低于4dB/cm。
本发明的玻璃的玻璃化温度(Tg)较好为400℃以上。Tg低于400℃的情况下，使用强度大的激光作为激发光时，玻璃温度局部变高而引起热损伤，其结果有可能由于光损失增多而光放大变得不充分。更好为430℃以上，特好为450℃以上。
以下用摩尔百分比表示含有量，对本发明的玻璃的组成进行说明。
本发明的玻璃中，利用从Yb3+的2F5/2能级感应释放至2F7/2能级进行光放大，Yb2O3为必要成分。Yb2O3低于0.1％时，不能获得充分的放大。较好是0.15％以上，更好是0.3％以上，特好是0.5％以上。另外，如果超过4％的话，则玻璃化变得困难。较好是3％以下，更好是2％以下。
Bi2O3为必要成分。其含量低于30％时，Yb的吸收系数有可能变小。较好的是35％以上，更好的是40％以上。如果超过55％，则玻璃化变得困难，纤维加工时反玻璃化(失透、devitrificat ion)或Tg变得过低。较好是50％以下，更好是45％以下。这里所说的反玻璃化是指结晶析出的显著的现象，纤维加工时引起纤维的切断或作为光纤使用时引起纤维破坏的现象。
SiO2以及B2O3为网络形成成分，为了抑制制作玻璃时的结晶析出而容易形成玻璃，必须含有至少任一方。所述SiO2+B2O3的合计含量低于25％时，玻璃化变得困难或加工纤维时反玻璃化。较好是28％以上，更好是30％以上。如果超过50％，则发光强度降低。较好是45％以下，更好是40％以下，特好是35％以下。
含有SiO2时，其含量较好是10％以上，更好是20％以上，特好是30％以上。此外，其含量较好是45％以下，更好是40％以下。
含有B2O3时，其含量较好是35％以上，更好是30％以上，特好是20％以下。希望提高耐热性时，B2O3的含量较好是10％以下，更好是不含有B2O3。
希望提高熔化性等时，较好的是SiO2为25％以上且B2O3为0～10％。
Al2O3以及Ga2O3具有抑制反玻璃化的效果，所以必须含有任一方。它们含量的合计Al2O3+Ga2O3低于12％时，反玻璃化抑制的效果弱。较好是15％以上，更好是18％以上，特好是20％以上。如果超过27％，反玻璃化反而变得容易。较好是25％以下，更好是23％以下。
另外，希望增强发光强度时，较好含有Ga2O3。
含有Al2O3时，其含量较好是1％以上，特好是3％以上。此外，其含量较好是12％以下，更好是10％以下。
在含有Ga2O3时，其含量较好是1％以上，更好是5％以上，特好是10％以上。此外，其含量较好为25％以下，更好为20％以下。
较好的情况是Bi2O3为35～50％，SiO2为0～45％，B2O3为0～35％，Al2O3为0～12％，Ga2O3为5～25％。La2O3不是必须的，但是其具有难以引起浓度猝灭的效果或增强发光强度的效果，可将其含至4％。如果超过4％，则反玻璃化变得容易。更好是在3％以下。含有La2O3时，其含量较好为0.5％以上。更好为1％以上，特好为2％以上。
本发明的玻璃较好是本质上由上述成分构成，但是在不损害本发明的目的的范围内，可以典型地含有合计为10％以下的其它成分，较好是含有5％以下的范围。
例如，为了防止Bi2O3在玻璃融液中以金属铋的状态析出而降低玻璃的透明性，可以含有最多为1％的CeO2。如果超过1％，则玻璃的黄色或橙色的着色变得显著，透射率降低。较好是0.5％以下。含有CeO2时，其含量较好为0.1％以上。另外，希望提高透射率时，较好是不含CeO2。
另外，为了抑制纤维加工时的反玻璃化或者是为了使得玻璃化变得容易，可以含有Li2O、Na2O、K2O、MgO、CaO、SrO、BaO、ZrO2、ZnO、CdO、GeO2、TiO2、In2O3、PbO、TeO2等。
另外，实质上不含有Er2O3，Er2O3的含量典型地为0.02％以下，较好是低于0.01％。如果实质上含有Er2O3的话，发生由Yb3+的激发状态至Er3+的能量转移，无法进行1.0-1.2μm的波长的光的放大，有可能有损于本发明的目的。
另外，对于Tm2O3，，因Yb3+的基础能级(2F5/2)和上位能级(2F7/2)之间存在Tm3+的能量的能级(3H5)，能量被Tm3+夺走，有可能降低效率，因此，第1光放大玻璃中较好不含有Tm2O3，第2光放大玻璃中实质上不含有Tm2O3、Tm2O3的含量典型地为0.02％以下，较好是低于0.01％。
对于本发明的玻璃制造方法无特别限制，例如，可以通过以下方法制造，即调制原料而混合，将其放入金坩锅、氧化铝坩锅、石英坩锅或铱坩锅中，在800-1300℃下空气中熔化，将获得的融液通过在规定的模中铸造的熔融法制造。另外，也可通过除了溶胶凝胶法或气相蒸镀法等熔融法以外的方法制造。
实施例
将表1-3中的由Bi2O3至CeO2的栏中的以摩尔％表示的组成的玻璃，通过在1150℃下熔化的熔融法制造。另外，将玻璃转化温度Tg(单位：℃)、对于1064nm的波长的相对发光强度E、对于1064nm的波长的发光寿命τ(单位：ms)、对于915nm的波长的吸收系数A(915)(单位：dB/cm)、对于940nm的波长的吸收系数A(940)(单位：dB/cm)、对于940～990nm的波长的峰的吸收系数A(p)(单位：dB/cm)、对于915～940nm的波长的波长区域的吸收系数的平坦性(フラツト性)指标、即该吸收系数的最大值和最小值的比A’示于表中。
例1～20是实施例，例21、22是比较例。例1～20的玻璃中的任一种玻璃的Tg均为430℃以上且热学上稳定，A(p)为4dB/cm以上。
另外，例1～7的玻璃中，除了Yb含量以外，其它组分比例均相同，Yb的含量在变化。可以明确如果增加Yb的含量，则发光强度E以及吸收系数单调地增加。
另外，可以得知在例1～20的实施例中发光强度E强，但在含有Er的比较例的21、22中，发光强度E显著降低。
另外，图1显示例8的吸收光谱。纵轴为吸收系数(单位：dB/cm)、横轴为波长(单位：nm)。从图1可知对于915～965nm的波长呈现出平缓的吸收光谱。
另外，例1～20中，因所述A’为1.5以下，所以可以通过将激发光的波长控制在所述平坦的波长区域915～940nm的范围，可抑制输出功率的变化。
另外，以例8所示的玻璃作为芯部，以如下的玻璃作为包覆层：以摩尔％表示，含有42.8％的Bi2O3、34.2％的SiO2、14.3％的Ga2O3、7.1％的Al2O3、1.4％的La2O3、0.2％的CeO2的玻璃，制作芯部直径为5.2μm的纤维。可以确认到通过使用如上所述的Yb3+吸收量大的玻璃，即使在仅为19cm长度的纤维中，也可以在1064nm的波长下振荡激光。
【表1】
  例1   例2   例3   例4   例5   例6   例7   例8
  Bi2O3   42.7   42.6   42.6   42.3   42.1   41.9   41.5   42.6
  SiO2   34.2   34.1   34.0   33.9   33.7   33.5   33.2   34.0
  B2O3   0   0   0   0   0   0   0   0
  Al2O3   3.6   3.6   3.5   3.5   3.5   3.5   3.5   5.4
  Ga2O3   17.8   17.8   17.7   17.6   17.6   17.5   17.3   15.9
  La2O3   1.4   1.4   1.4   1.4   1.4   1.4   1.4   1.4
  Yb2O3   0.1   0.3   0.5   1.0   1.5   2.0   2.9   0.5
  CeO2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2   0.2
  Tg   491   491   493   498   498   501   506   496
  E   0.30   0.44   0.68   1.01   1.26   1.44   1.53   0.74
  τ   0.55   0.56   0.57   0.61   0.62   0.61   0.59   0.59
  A(915)   0.8   1.6   2.7   5.5   7.5   10.1   14.9   2.7
  A(940)   1.1   2.0   3.5   7.0   9.7   12.9   19.0   3.5
  A(p)   4.3   8.6   14.3   28.0   41.1   53.9   77.9   14.3
  A’   1.31   1.29   1.29   1.27   1.29   1.28   1.28   1.45
【表2】
  例9   例10   例11   例12   例13   例14   例15   例16
  Bi2O3   41.7   43.0   36.0   50.0   40.0   44.5   41.8   45.8
  SiO2   0   10.0   30.0   30.0   36.0   35.0   36.0   32.0
  B2O3   30.0   26.6   17.8   0   5.0   2.0   0   0
  Al2O3   6.0   10.0   5.0   4.0   2.3   9.0   0   6.0
  Ga2O3   19.0   8.0   10.0   14.2   15.0   7.0   21.0   13.0
  La2O3   2.0   1.0   0   0.5   0.5   1.0   0   2.0
  Yb2O3   1.0   1.0   1.0   1.0   1.0   1.0   1.0   1.0
  CeO2   0.3   0.4   0.2   0.3   0.2   0.5   0.2   0.2
  Tg   436   432   459   457   476   480   490   482
  E   0.89   0.70   0.68   1.00   0.98   0.89   1.23   1.00
  τ   0.64   0.55   0.51   0.58   0.61   0.56   0.61   0.57
  A(915)   4.4   4.6   4.8   4.9   5.0   5.1   5.1   5.1
  A(940)   6.4   6.6   6.9   6.4   6.6   6.6   6.6   6.5
  A(p)   28.4   29.0   30.5   26.5   28.2   27.0   27.7   26.6
  A’   1.45   1.43   1.31   1.33   1.29   1.28   1.28   1.29
【表3】
  例17   例18   例19   例20   例21   例22
  Bi2O3   40.0   44.7   41.8   42.6   41.8   41.7
  SiO2   43.0   28.0   33.5   35.0   34.3   33.6
  B2O3   0   0   0   0   0   0
  Al2O3   0   6.0   2.0   3.5   3.4   3.4
  Ga2O3   15.0   18.0   18.0   18.0   17.6   17.6
  La2O3   0.8   2.0   3.5   0   0   0
  Yb2O3   1.0   1.0   1.0   0.7   0.7   1.4
  Er2O3   0   0   0   0   2.0   2.0
  CeO2   0.2   0.3   0.2   0.2   0.2   0.2
  Tg   494   487   497   491   501   -
  E   1.15   1.17   1.13   0.93   0.02   0.04
  τ   0.68   0.63   0.63   0.66   -   -
  A(915)   5.1   5.2   5.2   3.7   3.6   -
  A(940)   6.6   6.6   6.5   4.7   4.6   -
  A(p)   27.8   27.0   27.2   19.7   26.5   -
  A’   1.28   1.26   1.29   1.30   -   -
产业上利用的可能性
可利用于1.0～1.2μm的波长的光的放大。
这里引用2008年11月6日提出申请的日本专利申请2008-285527号的说明书、权利要求书、附图和摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

Claims (11)

1.光放大玻璃，以下述氧化物为基准用摩尔％表示，含有30～55%的Bi2O3，合计为25～50％的SiO2和B2O3且SiO2为0～45％、B2O3为0～35％，合计为12～27％的Al2O3和Ga2O3且Al2O3为0～12％、Ga2O3为5～25％，0～4%的La2O3，0.1～4％的Yb2O3，0～0.02％的Er2O3，并用于1.0～1.2μm的波长的光的放大。
2.光放大玻璃，以下述氧化物为基准用摩尔％表示,含有30～55%的Bi2O3，合计为25～50％的SiO2和B2O3且SiO2为0～45％、B2O3为0～35％，合计为12～27％的Al2O3和Ga2O3且Al2O3为0～12％、Ga2O3为5～25％，0～4%的La2O3，0.1～4％的Yb2O3，0～0.02％的Er2O3以及0～0.02％的Tm2O3。
3.如权利要求2所述的光放大玻璃，其特征在于，用于1.0～1.2μm的波长的光的放大。
4.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，Bi2O3为35～50％。
5.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，SiO2为25％以上、B2O3为0～10％。
6.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，含有1％以下的CeO2。
7.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，对于940nm的波长的吸收系数为1dB/cm以上。
8.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，对于940～990nm的波长区域中的任一波长的吸收系数为4dB/cm以上。
9.如权利要求1或2所述的光放大玻璃，其特征在于，玻璃化温度为400℃以上。
10.光波导，其特征在于，以权利要求1～9中任一项所述的光放大玻璃作为芯部。
11.光纤，其特征在于，以权利要求1～9中任一项所述的光放大玻璃作为芯部。
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