CN109149337B - 锥光纤铒/铥共掺碲酸盐玻璃微球2μm波段光纤激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种锥光纤Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球2μm波段光纤激光器及其制作方法和工作方法，器件连接：980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nmWDM2的公共端3分别与掺铒光纤EDF相连接，980nm/1550nm波分复用器WDM1的1端口通过980nm隔离器ISO1接980nm隔离器LD1、2端口接900～1600nm波段宽带反射镜OFR；WDM2的1端口通过980nm隔离器ISO2接LD2、2端口输出1525nm‑‑1650nm宽带高功率ASE光源，并连接双锥光纤的一端，该激光器可实现稳定的窄线宽激光输出，锥光纤小球集成后的装置结构小型化,可广泛应用于生物传感探测等领域。
Description
技术领域：
本发明涉及一种2μm波段光纤激光器，属于激光器制造技术领域，本发明2μm波段光纤激光器可以应用于激光生物医疗、气体探测等诸多领域。
背景技术：
2μm波段光纤激光器是目前最具前景的激光技术之一,在激光生物医疗,气体检测等方面具有广泛的应用。另一方面，体积小可集成的光器件在光学检测方面拥有独特的优势而逐渐受人们关注。目前,国内外2μm波段光纤激光器多采用808nm或1550nm半导体激光器泵浦掺铥或掺钬光纤，采用808nm或1550nm半导体激光器泵浦掺铥或掺钬光纤的2μm波段光纤激光器损耗高,性能稳定性较差,且成本较高。
发明内容：
本发明提出一种锥光纤Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器及其制作方法和工作方法，该锥光纤掺铒/铥碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器损耗低、性能稳定，且成本较低。
本发明锥光纤掺铒/铥碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器，其特征在于，其器件包括：980nm半导体激光器LD1、980nm半导体激光器LD2，980nm隔离器ISO1和980nm隔离器ISO2，980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nm波分复用器WDM2，掺杂铒光纤EDF；900--1600nm波段宽带反射镜OFR，双锥光纤，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐小球和1550nm/2000nm波分复用器WDM3；其器件连接：980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nmWDM2的公共端3分别与掺铒光纤EDF相连接，980nm/1550nm波分复用器WDM1的1端口通过980nm隔离器ISO1接980nm隔离器LD1、2端口接900～1600nm波段宽带反射镜OFR；WDM2的1端口通过980nm隔离器ISO2接LD2、2端口输出1525nm--1650nm宽带高功率ASE光源，并连接双锥光纤的一端，双锥光纤的锥腰与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球相切，双锥光纤的另一端连接1550nm/2000nm波分复用器WDM3的1端口，1550nm/2000nm波分复用器WDM3的2端口输出2μm波段激光。
进一步的，上述Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球为直径大小是10--200m的透明微球。
进一步的，上述双锥光纤的锥腰直径为1--2m双锥光纤，由Ｖ型槽将双锥光纤与微球相切固定。
进一步的，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球材料组份的选择如下：按摩尔质量比组分为：[70-0.3*X]TeO2+23WO3+8La2O3+(0.1*X)Er2O3+(0.2*X)Tm2O3，其中x=1~5。
本发明锥光纤掺铒/铥碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器的制作方法，其特征在于，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球的制备方法步骤如下，
S1：确定原料总质量，高纯材料组分及摩尔质量比例为：[70-0.3*X]TeO2+23WO3+8La2O3+(0.1*X)Er2O3+(0.2*X)Tm2O3，其中x=1~5，称取各组元材料质量，各组元材料放置研钵中充分研磨半小时，达到均匀混合；
S2：原料充分均匀混合后，将原料盛放在刚玉坩埚中并加上盖，以防止加热过程中有的组分挥发，将加盖的坩锅放置在电阻炉内；
S3：采用程序控制快速电阻升温炉(马弗炉)加热，根据材料所需的熔融温度，设定升温的模式、最终温度及保温时间参数，设置升温速度10，每升温300/>，保温20分钟，当温度上升至950/>时，保温30分钟；
S3：完成烧制过程后，从电阻炉中取出坩埚并打开其盖子，放在高温的隔热台上，防止温度迅速下降，由于刚出炉的玻璃液体温度较高，粘度系数较小，玻璃液体呈红褐色，不易拉制成玻璃丝，待液体稍微冷却，颜色变成黄色，粘度增加后，开始拉制玻璃丝；
S4：拉丝的方法是，用石英玻璃棒粘搅坩埚中的稠状玻璃溶液，并快速提升，在拉丝过程中，拉丝速度对玻璃细丝的质量有影响，拉丝速度越快，则拉制的玻璃细丝越细，同时保持拉丝速度匀速，否则容易产生气泡，影响玻璃丝的品质，将拉长的细丝剪断后保存，
S5： 用制备的Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃细丝制微球：采用温度适中的丁烷火焰来制备碲酸盐玻璃微球。
进一步的，S5步骤中丁烷火焰来制备碲酸盐玻璃微球，选取直径为5~100 μm的Er3 +/Tm3+共掺碲酸盐玻璃细丝，长度大约2~4 cm，将玻璃细丝一端慢慢靠近稳定燃烧的丁烷火焰蓝焰层，当玻璃丝加热形成微球时，停止加热。
本发明采用普通常用、价格低的980nm LD半导体激光，泵浦掺铒光纤，产生高功率平坦宽带1550nmC+L 波段放大的自发辐射（ASE）光，有一段长3~5cm的双锥光纤在锥腰处与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球相切。产生的ASE光中能与微球腔谐振的那些波长的光波通过双锥光纤高效耦合入Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，形成多个波长回廊模(WGM)泵浦Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，产生低阈值窄线宽线2μm波段激光。
附图说明：
图1是本发明器件连接构造示意图；
图2是熔融法拉锥装置的构造示意图；
图3是高温固相法制备玻璃微球的流程图；
图4是 980nm泵浦掺铒光纤产生的ASE光谱图；
图5是本发明产生的2μm激光谱（在功率为2.77mW的 ASE光源泵浦下， Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球产生的1897.60 nm单纵模激光）；
图6是图1的链接示意图；
K1为双锥光纤,K2为Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球。
具体实施例：
下面结合具体例子对本发明做进一步说明：
本发明由980nm LD半导体激光泵浦掺铒光纤，产生高功率平坦宽带C+L 1550nm波段放大的自发辐射（ASE）光，通过双锥光纤在锥腰处与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球相切，输出的ASE光中能与微球腔谐振的那些波长的光波通过双锥光纤高效耦合入Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，形成多个波长回廊模(WGM)泵浦Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，产生低阈值窄光谱线的2μm波段激光。
采用图1的器件及连接方法，其器件组成为：980nm半导体激光器LD1，LD2，980nm光波隔离器ISO1和ISO2，980nm/1550nm波分复用器WDM1、WDM2，掺杂铒光纤EDF（选用长飞公司：EDF-1022,截止波长1300nm,1532nm吸收峰为19～25dB/m,1550nm模场直径为5.4μm,数值孔径为0.23,铒光纤长度35m），980nm隔离器1，2；900--1600nm波段宽带反射镜OFR （OFR选用Optics For Research 公司的产品，型号为OFR MF1-IR2），4cm长双锥光纤的锥腰为1.5μm，铒铥共掺碲酸盐微球直径为110μm，1550nm/2000nm波分复用器WDM3，WDM3的第2端口输出2μm波段激光，WDM3的第3端口输出残余ASE泵浦光。
各器件连接如下：980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nmWDM2的公共端3分别与掺铒光纤EDF相连接，980nm/1550nm波分复用器WDM1的1端口通过980nm隔离器ISO1接980nm隔离器LD1、2端口接900～1600nm波段宽带反射镜OFR；WDM2的1端口通过980nm隔离器ISO2接LD2、2端口输出1525nm--1650nm宽带高功率ASE光源，并连接双锥光纤的一端，双锥光纤的锥腰与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球相切，双锥光纤的另一端连接1550nm/2000nm波分复用器WDM3的1端口，1550nm/2000nm波分复用器WDM3的2端口输出2μm波段激光。
其中 Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球材料组份的选择如下：按摩尔质量比组分为：[70-0.3*1]TeO2+23WO3+8La2O3+(0.1*1)Er2O3+(0.2*1)Tm2O3。
有一段长4cm的双锥光纤在锥腰处与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球相切。产生的ASE光中能与微球腔谐振的那些波长的光波通过双锥光纤高效耦合入Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，形成多个波长回廊模(WGM)泵浦Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔，产生低阈值窄线宽线2μm波段激光，如附图5。
本发明采用全光纤结构,损耗低,性能稳定,易于与光纤系统集成。且成本较低,具有较高的性价比。
本发明的工作过程如下：一只980nm波段LD2激光器输出的光波通过980nm/1550nm波分复用器WDM1，WDM2反向耦合进入一段掺杂铒离子光纤，铒光纤中的铒离子通过吸收980nm波长的泵浦光子，电子从基态跃迁到激发态。当处于激发态的电子不稳定返回基态时发射出光子，这些自发辐射的光子沿掺铒光纤前传得到了放大，形成放大的自发辐射（ASE），从而在980nm后向泵浦激光激励下产生C波段的ASE光。另一个前向泵浦980nm 激光器LD1 的激励光经波分复用器WDM1 前向耦合入同一段掺铒光纤中，在铒光纤的前段的铒离子通过吸收980nm波长的光子后首先是产生C波段的ASE光，由于铒光纤较长，前段产生的ASE光作为后段铒光纤自发辐射的激励源。因此，铒光纤后段的铒离子则通过吸收前段形成的ASE光后，将其原来产生的部分C波段的ASE光转移到L波段上。因此通过调节泵浦激光器的输出功率比、掺铒光纤长度，让前向、后向产生的ASE光C波段、L波段功率接近匹配相等，形成具有功率大、光谱平坦度好、可同时覆盖1550nm通信C波段和L波段的宽带ASE光源，为后续铒铥离子的吸收激发提供激励源。在WDM1波分复用器的1550nm端口加上宽带反射镜，用于将反向的ASE光波反射回铒光纤，产生L波段的ASE光。Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球腔对1550nm ASE光进行多波长谐振吸收，在微球谐振腔中产生2微米激光，并通过锥光纤耦合输出。
本发明双锥光纤由如下方法制备：采用氢气火焰或CO2激光加热熔融光纤拉伸法制备双锥光纤，采用的装置如图2所示：图中光纤A1两端由光纤夹具A2夹持，光纤夹具A2设在固定台A3上，该两个光纤夹具A2通过两个步进电机A4驱动相背移动，光纤A1中部下方设有氢气火焰A5。通过火焰对准光纤A1中间段加热，使光纤A1中间软化，再通过两边的步进电机A4进行拉伸，形成双锥型光纤。
用普通通信标准光纤(SMF-28)制备双锥光纤，步骤如下：A、利用熔接机将125 μm的单模光纤的两端与两条光纤跳线连接，分别连接激光器和测量仪器；B、用剥线钳将光纤中央位置的涂覆层剥开2~3 cm，依次用丙酮、酒精擦拭干净，防止污染物在光纤上会致使拉锥过程中损耗急剧增大；C、将裸露的光纤固定在熔融法拉锥装置（如图2所示）上，将两端跳线分别与976nm激光器和功率计相连接，在拉锥之前，需要设置976nm激光输出1mW，将功率计损耗设置为0dBm，再将氢气火焰下调至离裸露光纤3mm处，进行左右移动预热3分钟，预热过程可以将表面的酒精、丙酮残留液蒸发掉，并且将光纤均匀受热初步软化，防止受热不均匀发生光纤断裂。设置氢气发生器的气流量为130ml/min，步进电机速度为50/s，将氢气火焰缓慢下降至光纤处，用相对稳定的内焰去熔融光纤。同时，通过微调整架带动控制火焰均匀的左右移动，使双锥光纤锥度较小。通过光功率计实时关注锥光纤的损耗，通过改变火焰的移动范围和速度来控制损耗大小。当双锥光纤细腰直径较小时，移动速度相对要慢，移动范围也要缩小。最终将双锥光纤拉伸至3~6 cm左右，细腰直径为1~3/>，并且损耗为0.5dB以下的才可使用。
Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球材料组份的选择如下： 利用不同的玻璃组分制备碲酸盐玻璃基质，会有不同的玻璃特性，其中主要组分构建玻璃网络、决定玻璃的物理化学性能，并且影响光谱的性质。使用的原材料表1所示，摩尔质量比组分为[70-0.3*X]TeO2+23WO3+8La2O3+(0.1*X)Er2O3+(0.2*X)Tm2O3（其中x=1~5）。
表1 制备Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球材料所用化学试剂列表
| 原料/分析纯 | 分子式 | 相对分子质量 | 含量 |
| 二氧化碲 | TeO2 | 159.60 | ≥99.99% |
| 氧化钨 | WO3 | 231.80 | ≥99.8% |
| 氧化镧 | La2O3 | 325.81 | ≥99.99% |
| 氧化铒 | Er2O3 | 382.52 | ≥99.99% |
| 氧化铥 | Tm2O3 | 385.86 | `≥99.99% |
材料组分中，TeO2是主要组分，为玻璃网络形成体，其含量一般超过50%。在玻璃的空间结构中，WO3作为修饰体，可以加大玻璃的结构稳定性，化学稳定性以及折射率，并且可以降低玻璃的热膨胀系数。玻璃的稳定性与玻璃的析晶开始温度Tg和玻璃转变温度Tx有关，La2O3含量可以提高玻璃网络的连续性，从而使玻璃的Tg提高，有利于玻璃拉丝。Er2O3作为Tm离子产生2μm激光的敏化剂，可以提高Tm离子的发光效率。Tm2O3为产生2μm激光的中心离子。
Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球的制备方法如下：
采用 高温固相法制备Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃基质材料的流程如图3所示。过程如下：确定原料总质量，如10g,高纯材料组分及摩尔质量比例为：（70-0.3*X）TeO2-23WO3-8La2O3-0.1*XEr2O3-0.2*XTm2O3（其中X=1～5），称取各组元材料质量。各组元材料放置研钵中充分研磨半小时，原料充分均匀混合后，将原料盛放在刚玉坩埚中并加上盖，以防止加热过程中有的组分挥发。将加盖的坩锅放置在电阻炉内。
采用程序控制快速电阻升温炉(马弗炉)加热。根据材料所需的熔融温度，设定升温的模式、最终温度及保温时间等参数。设置升温速度10，每升温300/>，保温20分钟，当温度上升至950/>时，保温30分钟。完成烧制过程后，从电阻炉中取出坩埚并打开盖子，放在高温的隔热台上，防止温度迅速下降。由于刚出炉的玻璃液体温度较高，粘度系数较小，玻璃液体呈红褐色，不易拉制成玻璃丝。待液体稍微冷却，颜色变成黄色，粘度增加后，开始拉制玻璃丝。拉丝的方法是，用石英玻璃棒粘坩埚中的稠状玻璃溶液，并快速提升。在拉丝过程中，拉丝速度对玻璃细丝的质量有影响，拉丝速度越快，则拉制的玻璃细丝越细，同时保持拉丝速度匀速，否则容易产生气泡，影响玻璃丝的品质。将拉长的细丝剪断后保存。
用制备的Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃细丝制微球：采用温度适中的丁烷火焰来制备碲酸盐玻璃微球。选取直径为5~100 μm的玻璃细丝，长度大约2~4 cm，将玻璃细丝一端慢慢靠近稳定燃烧的丁烷火焰蓝焰层，当玻璃丝加热形成微球时，停止加热。融熔玻璃在液体表面张力的作用下形成球状，并且表面十分光滑。通过玻璃细丝直径和加热时间控制微球直径，截取玻璃细丝端头微球即是Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球。
Claims (3)
1.一种锥光纤Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器，其特征在于，其器件包括：980nm半导体激光器LD1、980nm半导体激光器LD2，980nm隔离器ISO1和980nm隔离器ISO2，980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nm波分复用器WDM2，掺杂铒光纤EDF；900--1600nm波段宽带反射镜OFR，双锥光纤，Er3+/Tm3+共掺碲酸盐小球和1550nm/2000nm波分复用器WDM3；其器件连接：980nm/1550nm波分复用器WDM1、980nm/1550nmWDM2的公共端3分别与掺铒光纤EDF相连接，980nm/1550nm波分复用器WDM1的1端口通过980nm隔离器ISO1接980nm隔离器LD1、2端口接900～1600nm波段宽带反射镜OFR；WDM2的1端口通过980nm隔离器ISO2接LD2、2端口输出1525nm--1650nm宽带高功率ASE光源，并连接双锥光纤的一端，双锥光纤的锥腰与Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球相切，双锥光纤的另一端连接1550nm/2000nm波分复用器WDM3的1端口，1550nm/2000nm波分复用器WDM3的2端口输出2μm波段激光。
2.根据权利要求1所述的锥光纤Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器，其特征在于，所述Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃小球为直径大小是10--200 微米的透明微球。
3.根据权利要求2所述的锥光纤Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃微球2μm 波段光纤激光器，其特征在于所述双锥光纤的锥腰直径为1—2微米双锥光纤，由Ｖ型槽将双锥光纤与微球相切固定。
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