CN109412000A - 超宽带高增益光纤与器件制备技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，步骤包括(1)制备增益光纤：所述增益光纤是一种复合结构光纤，纤芯为多组对称分布的扇形结构或多个同心的环形结构，由至少两种不同种类稀土掺杂的玻璃组成，且发光中心分别位于纤芯中不同的扇形结构或环形结构区域；(2)构建光纤激光器：采用该增益光纤，通过控制泵浦光光斑的形状，选择性激发纤芯中不同区域中的稀土离子，并结合光纤光栅对实现可调谐激光输出。本发明将光纤结构设计和泵浦光的光场分布控制相结合，制备的增益光纤具有高增益和超宽带的特性，通过选择性激发特定区域中的发光离子，避免全纤芯泵浦产生多余的热量，可应用于宽带可调谐的单频光纤激光器和高重频锁模光纤激光器。

Description

超宽带高增益光纤与器件制备技术

技术领域

本发明涉及光纤与光纤激光技术领域，特别是涉及一种超宽带高增益光纤与器件制备技术。

背景技术

光纤激光器通常由泵浦源、增益光纤和谐振腔组成。增益光纤通常是掺稀土玻璃光纤，是光纤激光器的核心；泵浦源提供能量，使增益光纤中的稀土离子产生自发辐射和受激辐射；谐振腔实现信号光往返振荡，并最终实现激光输出。相比于气体激光器和传统的固体激光器，光纤激光器由增益光纤与光纤器件(如光纤光栅、光纤耦合器以及光纤偏振控制器等)熔接或连接构成，具有结构紧凑、光束品质高、散热性好、稳定性高以及输出波长易调节等优势，因而在光纤通信、生物医疗、材料加工、大气监测及激光雷达等军事和民用领域获得了广泛应用。随着科技的发展和社会的需求，当今许多应用领域要求光源在较宽的波长范围内实现高功率、稳定、低噪声、高效率、可调谐的激光输出，因而，超宽带可调谐、高功率和超紧凑的光纤激光器成为研究热点。此外，当今光纤激光器的工作波长不断向中红外方向延伸。例如2.0μm波段激光位于人眼安全波段且处于大气传输的低损耗窗口，并且覆盖H₂O、CO、CO₂等分子的光谱吸收峰，在激光雷达、激光探测、激光医疗和环境监测等许多领域有重要的应用价值。因此，近中红外可调谐激光的输出更是掀起了国内外学者研究的热潮。

目前，主流的可调谐激光器的调谐范围通常局限于单个波段内。最近，研究人员提出了一种超宽带连续可调谐的中红外光纤激光器，激光器包括第一激光泵浦源、第一稀土离子掺杂光纤、平面衍射光栅、第二激光泵浦源、第二稀土离子掺杂光纤、第三激光泵浦源、第四激光泵浦源和第三稀土离子掺杂光纤，通过并联三种不同的稀土离子掺杂的玻璃光纤，利用同一平面衍射光栅作为波长调谐器件，实现2.8～4μm波长范围连续可调谐的激光输出。虽然上述方案可实现可调谐的中红外光纤激光输出，但其采用并联支路的方式，需要多个不同波长的泵浦源，且需要设置多根不同稀土离子掺杂的增益光纤以及大量的无源器件，导致损耗大、制备工艺复杂、结构不紧凑，不利于实现高效率和超紧凑的可调谐光纤激光器。

除了构建新型腔结构的激光器，新型组分和新型结构的增益光纤也成为研究的热点。由于单种稀土离子发光中心掺杂的光纤发射波长有限，为利用不同稀土离子的发射波长，实现宽带可调谐激光输出，研究者将不同稀土发光离子以共掺的方式加入到一根玻璃光纤中。相比于单掺稀土离子玻璃光纤，采用多个稀土发光中心共掺的形式能一定程度增大发射谱的宽度，但提高有限。同时，不同发光稀土离子之间存在较大的非辐射跃迁，并造成大量的热负荷，从而降低发光效率和激光性能。较为创新地，有方法提出一种多掺稀土离子多芯双包层光纤，其在纤芯中设置多个独立稀土离子的纤芯，在一根光纤中利用不同稀土离子产生不同的发射波长，能实现较宽波长范围内的信号输出。但在泵浦时纤芯利用率不高，会产生其他波段的荧光发射，从而产生多余的热量，降低激光性能，无法实现高效的宽带可调谐激光输出。

另外，从泵浦机制看，目前光纤激光器通常是同时对整个增益光纤纤芯泵浦，即使在上述多芯光纤中，也是将泵浦光耦合进整根光纤中。这种采用全纤芯泵浦的方式，不可避免地同时激发纤芯中所有稀土离子，因此，除了谐振波长处的激光，其余波段的荧光最终都会转换成大量的热，降低了光纤激光器的输出效率和稳定性。另一方面，对于泵浦波长的选择，首选商用的高功率980nm或808nm半导体激光器作为泵浦源。但不同的稀土离子需采用不同波长的泵浦源，如Tm³⁺一般采用808nm半导体激光器作为泵浦源，Er³⁺一般采用980nm半导体激光器作为泵浦源。在多掺稀土离子中需要采用多个波长激光器作为泵浦源，导致激光器结构不紧凑且操作复杂。

由此可见，目前还无法实现结构紧凑、高效率、高功率、低噪声的可调谐激光输出，尤其是无法实现宽带以及超宽带近中红外可调谐激光输出。如何能在一根光纤中可选择性的高效利用多种稀土发光离子，达到发光效率高和发射光谱宽的双重效果，且避免泵浦过程中多余热量的产生以及如何解决在一根光纤中掺不同稀土离子需要多个波长泵浦源的操作复杂、结构不紧凑的问题，是实现高性能的宽带可调谐激光输出亟待解决的问题。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术中实现高性能的宽带可调谐激光输出亟待解决的问题，拓展其在宽带可调谐的单频光纤激光器和高重频锁模光纤激光器领域应用，提供一种超宽带高增益光纤与器件制备技术。创新性将光纤结构设计和泵浦光场控制相结合，根据泵浦光的光场分布，设计并制备出与之匹配的复合纤芯结构的增益光纤，同时具有高增益和超宽带特性。在一根增益光纤中能够独立地高效利用多种稀土发光离子，使得发光效率更高、光谱更宽，通过选择性激发纤芯中不同区域的发光离子，同时抑制其他波段的荧光发射，避免了传统全纤芯泵浦过程中多余热量的产生，从而使得输出激光具备高功率、高效率、低噪声、宽带可调谐和高稳定性的优势。更优选地，本发明还通过优选稀土离子种类，通过在不同扇形或环形的纤芯区域中共掺敏化稀土离子，敏化稀土离子吸收单一波长的泵浦光后，会将能量有效地传递给不同的稀土发光离子，从而解决现有技术中泵浦机制复杂、结构不紧凑的问题。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：所述增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构或多个同心的环形结构构成，多组扇形结构或多个环形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子发光中心分别位于所述纤芯中不同的扇形结构或环形结构区域中，所述增益光纤的增益系数大于1dB/cm，发光带宽大于150nm；

(2)构建光纤激光器：采用步骤(1)中的复合结构光纤作为增益光纤，通过控制泵浦光光斑的形状，选择性激发所述纤芯中不同扇形结构或环形结构区域中的稀土离子，并结合光纤光栅对，实现可调谐激光输出。

在其中一个实施例中，其中步骤(1)中的增益光纤制备方法为管棒法、纤芯熔融拉丝法、高压辅助熔体填充法、高压化学气相沉积法、双坩埚法、浇注法、挤压成型法或3D打印法。

在其中一个实施例中，其中步骤(2)中是通过模式选择耦合器和光纤偏振控制器调控泵浦光光斑的形状。

在其中一个实施例中，对于纤芯为扇形结构的的增益光纤：首先采用模式选择耦合器，将泵浦光转换为线偏振模式LP₁₁。LP₁₁的光斑形状为两瓣状，即沿圆周方向，光场有两个极大值。通过偏振控制器，可以控制LP₁₁模式进行旋转，使得光场极大值位于不同的稀土掺杂的扇形区域，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现特定波段内输出激光的波长可调谐。

在其中一个实施例中，对于所述纤芯为环形结构的增益光纤：通过模式选择耦合器，将泵浦光转换为环形光纤中的矢量模式，即产生环形泵浦光。在环形纤芯结构光纤中，不同阶的矢量模式(HE₁₁、HE₂₁……HE_n1等)，均为环形光场，对模式选择耦合器进行温度或应力调控，将泵浦光转换为不同阶的矢量模式(HE₁₁和HE₉₁)，使得其光场极大值位于不同的稀土掺杂的环形结构区域，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现特定波段内输出激光的波长可调谐。

在其中一个实施例中，所述稀土离子掺杂的玻璃优选为多组分玻璃。

在其中一个实施例中，所述包层的组成优选为多组分玻璃。

在其中一个实施例中，所述多组分玻璃选自多组分锗酸盐玻璃、多组分磷酸盐玻璃、多组分碲酸盐玻璃、多组分硫系玻璃、多组分氟化物玻璃、多组分铝酸盐玻璃、多组分硼酸盐玻璃、多组分硅酸盐玻璃、多组分铋酸盐玻璃或多组分锗硅酸盐玻璃中的一种或多种。传统的石英玻璃存在固有的分相区，其稀土离子溶解度低，使得稀土掺杂的石英光纤增益较低。而多组分玻璃具有高的稀土离子溶解度，其物化性能可根据组分进行调节，适合用于制备高增益玻璃光纤。

在其中一个实施例中，所述多组分玻璃优选为多组分锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或碲酸盐玻璃中的一种或多种。其中，锗酸盐玻璃具有高的稀土离子溶解度、低的声子能量900cm^-1、高的红外透过性，优良的物化和机械性能以及高的抗激光损伤阈值，成为综合优势最突出的近中红外波段激光的基质材料。当光纤用于近中红外时，优选包层和纤芯为多组分锗酸盐玻璃。

在其中一个实施例中，所述包层的结构为单包层或多包层。

在其中一个实施例中，所述包层的外表面还包括涂覆层。

在其中一个实施例中，所述复合结构光纤是一种单模光纤。制备为单模光纤能够实现宽带可调谐的窄线宽、低噪声的单频光纤激光或超高重频锁模光纤激光输出。

在其中一个实施例中，所述稀土离子选自Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Ce³⁺、Eu³⁺、Eu²⁺、Sm³⁺、Sm^{2 +}、Tb³⁺、Nd³⁺、Dy³⁺、Yb³⁺或Pr³⁺中的一种或多种。近中红外区域覆盖处于大气传输窗口和人眼安全范围内，水在该波段具有强的吸收，在医疗、遥感、非线性光谱学和军事等领域具有广泛应用，通过在光纤中掺入上述稀土离子可以实现近中红外波段发光。

在其中一个实施例中，所述光纤为单模光纤，所述的扇形的多芯结构由两组或三组对称分布的扇形纤芯构成。优选地，纤芯和包层玻璃均为多组分锗酸盐玻璃，纤芯中稀土离子选自Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺中的两种或三种。

在其中一个实施例中，所述光纤为单模光纤，所述的环形的多芯结构由两个或三个同心的环形纤芯构成。优选地，纤芯和包层玻璃均为多组分锗酸盐玻璃，纤芯中稀土离子选自Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺中的两种或三种。

对于稀土离子选择，稀土离子Er³⁺：⁴I_13/2→⁴I_15/2跃迁的受激发射可以产生1.5μm波段激光，Tm³⁺：³F₄→³H₆和Ho³⁺：⁵I₇→⁵I₈跃迁的受激发射可以产生2.0μm波段激光，利用Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺可以实现超宽带近中红外可调谐激光输出。常规上通过Er³⁺和Tm³⁺共掺或Er³⁺、Tm^{3 +}、Ho³⁺三掺来实现近中红外可调谐激光输出，但是在共掺或三掺时，不同发光稀土离子之间存在较大的非辐射跃迁，会降低发光效率，且这些非辐射跃迁会造成大量的热负荷，从而降低了激光性能。此外，在单掺稀土方案中，由于Tm³⁺、Er³⁺、Ho³⁺最佳泵浦波长不同，需要采用多个波长的泵浦源，使得激光器结构不紧凑且操作复杂。本发明中通过分别共掺Yb³⁺作为敏化剂，可以解决上述问题，在共掺中，发光稀土离子主要是Tm³⁺、Er³⁺和Ho³⁺，Yb³⁺主要作为吸收泵浦光的敏化稀土离子，采用商用980nm半导体激光器作为泵浦源，Yb³⁺吸收泵浦光后，利用Yb³⁺与Tm³⁺、Er³⁺、Ho³⁺能级间的能量传递，将吸收的泵浦光能量有效地传递给Er³⁺、Tm³⁺和Ho³⁺，从而采用单一波长的泵浦源便可实现高效1.5-2.0μm波段宽带发光。

在其中一个实施例中，所述纤芯中稀土离子Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺和Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％，制备的增益光纤在近红外波段最大的增益系数≥5.2dB/cm，在中红外波段最大的增益系数≥3.2dB/cm。通过优选多组分玻璃，实现光纤中稀土离子的高浓度掺杂，获得高的增益，高增益光纤具有更大的单位长度泵浦吸收率和更高的单位增益，能够在极短的增益光纤上实现高效率激光输出，是研发高功率、高效率和超紧凑光纤激光器的核心材料，更容易实现单频激光和高重频激光输出。

与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：

(1)制备的增益光纤同时具有高增益和超宽带的特性，在单根增益光纤中能够独立地高效利用多种不同发射波长的稀土发光离子，发光效率高，发射光谱宽。尤其是，根据泵浦光的光场分布，针对性地设计多波段宽带可调谐的增益光纤，将增益光纤纤芯设计为多组对称的扇形或多个同心的环形结构，纤芯中不同区域的发光离子能够被定向激发，同时抑制其他波段的荧光发射，避免传统全纤芯泵浦过程中多余热量的产生，从而更加稳定和高效地实现可调谐激光输出。

(2)提供了多种优选的技术方案，包括包层玻璃和纤芯玻璃、稀土离子的选择，尤其是，将纤芯分为两个/组或三个/组区域，纤芯中稀土离子选自Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺两种或三种，优选纤芯玻璃为稀土离子溶解度高的多组分玻璃，稀土离子掺杂浓度能够大于5wt％，使得增益光纤在近红外波段最大的增益系数≥5.2dB/cm，在中红外波段最大的增益系数≥3.2dB/cm。此外，在纤芯中的每个区域通过共掺Yb³⁺作为敏化剂，能够采用单一波长的商业泵浦源便可实现高效1.5-2.0μm宽带可调谐激光，使得激光器更为紧凑、操作更为简单。

(3)本发明能够解决现有技术中实现超宽带、高性能的可调谐激光输出亟待解决的瓶颈问题，设计并制备了超宽带高增益光纤及超宽带可调谐光纤激光器，拓展在宽带可调谐的单频光纤激光器和超高重频锁模光纤激光器领域的应用。

附图说明

图1为实施例1中所述增益光纤端面的示意图；

图2为实施例1中所述光纤激光器结构及激光输出示意图；

图3为实施例2中所述增益光纤端面的示意图；

图4为实施例3中所述增益光纤端面的示意图；

图5为实施例4中所述增益光纤端面的示意图；

图6为实施例4中所述光纤激光器结构及激光输出示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：

端面如图1所示，所述增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层103。所述纤芯由两个呈同心圆环形设置的稀土离子掺杂区域101和稀土离子掺杂区域102组成。其中稀土离子掺杂区域101为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分硅酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域102为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，包层103为未掺稀土的多组分锗酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述增益光纤采用纤芯熔融拉丝法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺和Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层103；

c、复合结构芯棒制备：采用纤芯熔融拉丝法制备复合结构纤芯，将Er³⁺/Yb³⁺大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，将Tm³⁺/Yb³⁺大块纤芯玻璃通过机械加工成设定尺寸的玻璃管，后采用物理和/或化学方法抛光表面，将加工后的纤芯玻璃圆柱和纤芯玻璃管组装成复合结构纤芯预制棒，即依次形成稀土离子掺杂区域101和稀土离子掺杂区域102，在拉丝塔中拉制得到预设尺寸的复合结构芯棒，其中步骤b和步骤c中包层和各纤芯尺寸根据单模光纤设计要求确定；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，采用纤芯熔融法将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图1所示的增益光纤。

采用小信号增益测试法测得此复合结构光纤在近红外波段最大的增益系数为5.7dB/cm，在中红外波段最大的增益系数为3.2dB/cm。

(2)构建光纤激光器：

采用上述增益光纤构建光纤激光器实现可调谐激光输出。光纤激光器结构及激光输出示意图如图2所示。通过模式选择耦合器，将980nm泵浦光转换为环形光纤中的矢量模式，即产生环形泵浦光。对模式选择耦合器进行温度或应力调控，将泵浦光转换为不同阶的矢量模式(HE₁₁和HE₉₁)，使得光场极大值位于稀土离子掺杂区域101或稀土离子掺杂区域102，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450～2050nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

实施例2

本实施例一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：

端面如图3所示，所述增益光纤包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层304。所述纤芯由三个呈同心圆环形设置的稀土离子掺杂区域301、稀土离子掺杂区域302和稀土离子掺杂区域303组成。其中稀土离子掺杂区域301为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域302为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域303为Ho³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗酸盐玻璃，包层304为未掺稀土的多组分锗酸盐玻璃。其中Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺和Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述增益光纤采用管棒法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺和Ho³⁺/Yb^{3 +}掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层304；

c、复合结构芯棒制备：采用管棒法制备复合结构纤芯，将Er³⁺/Yb³⁺大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，将Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺大块纤芯玻璃通过机械加工成设定尺寸的玻璃管，后采用物理和/或化学方法抛光表面，将加工后的纤芯玻璃圆柱和纤芯玻璃管组装成复合结构纤芯预制棒，即依次形成稀土离子掺杂区域301、稀土离子掺杂区域302或稀土离子掺杂区域303，在拉丝塔中拉制得到预设尺寸的复合结构芯棒，其中步骤b和步骤c中包层和各纤芯尺寸根据单模光纤设计要求确定；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图3所示增益光纤。

采用小信号增益测试法测得此复合结构光纤在近红外波段最大的增益系数为6.5dB/cm，在中红外波段最大的增益系数为5.5dB/cm。

(2)构建光纤激光器：

采用上述增益光纤构建光纤激光器实现可调谐激光输出。通过模式选择耦合器，将980nm泵浦光转换为环形光纤中的矢量模式，即产生环形泵浦光。对模式选择耦合器进行温度或应力调控，将泵浦光转换为不同阶的矢量模式(HE₁₁和HE₉₁)，使得光场极大值位于稀土离子掺杂区域301、稀土离子掺杂区域302或稀土离子掺杂区域303，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450～2150nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

实施例3

本实施例一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：

端面如图4所示，所述增益光纤包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层403。所述纤芯由两个呈对称的扇形设置的稀土离子掺杂区域401和稀土离子掺杂区域402组成。其中稀土离子掺杂区域401为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分碲酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域402为Tm^{3 +}/Yb³⁺掺杂的多组分碲酸盐玻璃，包层403为未掺稀土的多组分碲酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述增益光纤采用管棒法制备，步骤如下：

a、玻璃熔制：采用传统的熔融-退火的方法分别熔制Er³⁺/Yb³⁺和Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的大块纤芯玻璃以及大块包层玻璃；

b、包层玻璃加工：将熔制的包层玻璃通过机械加工成设计尺寸的玻璃管，然后采用物理和化学方法抛光内、外表面，得到包层403；

c、复合结构芯棒制备：采用一步拉丝法和机械或激光切割制备复合结构纤芯，将Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺大块纤芯玻璃通过机械加工成预设尺寸的玻璃圆柱，表面抛光后在拉丝塔中拉制成预设尺寸的芯棒，分别将得到的预设尺寸较细的芯棒采用机械切割或激光切割成4等份扇形，然后按设计组装成复合结构纤芯棒，形成稀土离子掺杂区域401和稀土离子掺杂区域402；

d、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图4所示的增益光纤。

采用小信号增益测试法测得此复合结构光纤在近红外波段最大的增益系数为6.2dB/cm，在中红外波段最大的增益系数为4.5dB/cm。

(2)构建光纤激光器：

采用上述增益光纤构建光纤激光器实现可调谐激光输出。采用模式选择耦合器，将980nm泵浦光转换为线偏振模式LP₁₁，LP₁₁的光斑形状为两瓣状，即沿圆周方向，光场有两个极大值。通过偏振控制器，可以控制LP₁₁模式进行旋转，使得光场极大值位于稀土离子掺杂区域401或稀土离子掺杂区域402，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450～2050nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

实施例4

本实施例一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：

端面如图5所示，所述增益光纤包括纤芯，以及包覆于所述纤芯表面的包层504。所述纤芯由三个呈对称的扇形设置的稀土离子掺杂区域501、稀土离子掺杂区域502、稀土离子掺杂区域503组成。其中稀土离子掺杂区域501为Er³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗硅酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域502为Tm³⁺/Yb³⁺掺杂的多组分锗硅酸盐玻璃，稀土离子掺杂区域503为Ho^{3 +}/Yb³⁺掺杂的多组分锗硅酸盐玻璃，包层504为未掺稀土的多组分硅酸盐玻璃；Er³⁺、Tm³⁺、Ho^{3 +}、Yb³⁺掺杂浓度均＞5wt％。

所述增益光纤采用3D打印方法制备，步骤如下：

a、复合结构芯棒制备：按照设计配方和尺寸，采用3D打印方法分别制备扇形结构的纤芯，按设计组装成复合结构纤芯棒，形成稀土离子掺杂区域501、稀土离子掺杂区域502和稀土离子掺杂区域503；采用3D打印方法制备包层玻璃管504；

b、光纤拉制：将复合结构纤芯棒和包层玻璃管组装成复合结构光纤预制棒，将组装的光纤预制棒进行拉丝，得到端面如图5所示的增益光纤。

采用小信号增益测试法测得此复合结构光纤在近红外波段最大的增益系数为5.2dB/cm，在中红外波段最大的增益系数为3.2dB/cm。

(2)构建光纤激光器：

采用上述复合结构光纤构建光纤激光器实现可调谐激光输出。光纤激光器结构及激光输出示意图如图6所示，采用模式选择耦合器，将980nm泵浦光转换为线偏振模式LP₁₁，LP₁₁的光斑形状为两瓣状，即沿圆周方向，光场有两个极大值。通过偏振控制器，可以控制LP₁₁模式进行旋转，使得光场极大值位于稀土离子掺杂区域501、稀土离子掺杂区域502或稀土离子掺杂区域503，从而激发不同的稀土离子产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换。通过温度或应力控制装置，可以调节复合结构增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现1450～2150nm范围内特定波段内输出激光的波长可调谐。

由实施例1-4可知，将光纤结构设计和泵浦光的光场控制相结合，可以在同一根光纤中独立地集合多种不同发射波长的稀土离子，且通过选择性激发纤芯中不同区域的发光离子，同时抑制其他波段的荧光发射，减少热量的产生，更高效地实现可调谐激光输出，有望应用于宽带可调谐的高功率、高效率、低噪声和窄线宽单频光纤激光器和超高重频锁模光纤激光器等领域。尤其是在红外宽带可调谐激光输出具有显著效果，在纤芯中掺入Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺两种或三种稀土离子，在每个不同区域通过共掺Yb³⁺作为敏化剂，能够实现采用单一波长的商业泵浦源便实现高效1450～2050nm或1450～2150nm宽带发光。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (17)

1.一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，包括如下步骤：

(1)制备增益光纤：所述增益光纤是一种复合结构光纤，包括纤芯和包层，所述纤芯由多组对称分布的扇形结构或多个同心的环形结构构成，多组扇形结构或多个环形结构由至少两种不同种类稀土离子掺杂的玻璃组成，稀土离子发光中心分别位于所述纤芯中不同的扇形结构或环形结构区域中，所述增益光纤的增益系数大于1dB/cm，发光带宽大于150nm；

(2)构建光纤激光器：采用步骤(1)中的复合结构光纤作为增益光纤，通过控制泵浦光光斑的形状，选择性激发所述纤芯中不同扇形结构或环形结构区域中的稀土离子，并结合光纤光栅对，实现可调谐激光输出。

2.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，步骤(1)增益光纤的制备方法为管棒法、纤芯熔融拉丝法、高压辅助熔体填充法、高压化学气相沉积法、双坩埚法、浇注法、挤压成型法或3D打印法。

3.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，步骤(2)是通过模式选择耦合器和/或光纤偏振控制器调控泵浦光光斑的形状。

4.根据权利要求3所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，对于所述纤芯为环形结构的增益光纤，通过所述模式选择耦合器，将泵浦光转换为环形光纤中的矢量模式，即产生环形泵浦光，对所述模式选择耦合器进行温度或应力调控，将泵浦光转换为不同阶的矢量模式，使得光场极大值位于不同的稀土离子掺杂的环形结构区域，从而激发不同的稀土发光中心产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；通过温度或应力控制装置，调节所述增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现特定波段内输出激光的波长可调谐。

5.根据权利要求3所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，对于纤芯为扇形结构的增益光纤，采用模式选择耦合器，将泵浦光转换为光斑形状为两瓣状的线偏振模式，通过偏振控制器控制LP₁₁模式进行旋转，使得光场极大值位于不同的稀土离子掺杂的扇形结构区域，从而激发不同的稀土发光中心产生相应的增益，实现不同波段之间的激光切换；通过温度或应力控制装置，调节所述增益光纤两端的光纤光栅对的中心工作波长，实现特定波段内输出激光的波长可调谐。

6.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述稀土离子掺杂的玻璃为多组分玻璃。

7.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述包层的组成为多组分玻璃。

8.根据权利要求6或7所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述多组分玻璃分别任选自多组分锗酸盐玻璃、多组分磷酸盐玻璃、多组分碲酸盐玻璃、多组分硫系玻璃、多组分氟化物玻璃、多组分铝酸盐玻璃、多组分硼酸盐玻璃、多组分硅酸盐玻璃、多组分铋酸盐玻璃或多组分锗硅酸盐玻璃中的一种或多种。

9.根据权利要求8所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述多组分玻璃为多组分锗酸盐玻璃、硅酸盐玻璃或碲酸盐玻璃中的一种或多种。

10.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述包层的结构为单包层或多包层。

11.根据权利要求10所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述包层的外表面还包括涂覆层。

12.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述复合结构光纤是一种单模光纤。

13.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述稀土离子选自Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Ce³⁺、Eu³⁺、Eu²⁺、Sm³⁺、Sm²⁺、Tb³⁺、Nd³⁺、Dy³⁺、Yb³⁺或Pr³⁺中的一种或多种。

14.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述复合结构光纤为单模光纤，所述纤芯呈同心的环形结构设置，所述同心的环形结构的数量为2-3个。

15.根据权利要求1所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述复合结构光纤为单模光纤，所述纤芯呈对称分布的扇形结构设置，所述对称分布的扇形结构的数量为2-3组。

16.根据权利要求14或15所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述纤芯和包层均为多组分锗酸盐玻璃，所述稀土离子选自Er³⁺/Yb³⁺、Tm³⁺/Yb³⁺、Ho³⁺/Yb³⁺中的两种或三种。

17.根据权利要求16所述的一种超宽带高增益光纤与器件制备技术，其特征在于，所述纤芯中稀土离子Er³⁺、Tm³⁺、Ho³⁺、Yb³⁺的掺杂浓度均＞5wt％；所述增益光纤在近红外波段最大的增益系数≥5.2dB/cm，在中红外波段最大的增益系数≥3.2dB/cm。