CN113703088B - 一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤 - Google Patents

一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤 Download PDF

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Abstract

一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，包括基底材料和填充材料，填充材料为若干个镶嵌于基底材料内部的呈多层周期性排列的填充柱，最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层，填充柱的直径d与相邻两个填充柱中心间距Ʌ的比值d/Ʌ为0.30~0.45，基底材料为Ge‑Sb‑S硫系玻璃；填充材料为Ge‑As‑S硫系玻璃；基底材料的折射率大于填充材料的折射率；光纤端面镀有ZnS和Al2O3交替叠加的若干层增透膜。本发明光纤具有超大模场和高抗损增透膜，且所选化学组成的光纤材料具有较高的激光损伤阈值，能够传输百瓦级平均功率的中红外激光。

Description

一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤
技术领域
本发明属于玻璃光纤技术领域，具体涉及一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤。
背景技术
2~5 μm中红外波段包含了大量分子的基频振动频率，这些分子振动吸收截面大，波长和谱线线型呈现指纹式的特征；2~5 μm中红外激光受到大雾和烟尘的干扰较小，能够实现几公里到几十公里的远距离传输；根据维恩位移定律，2~5 μm对应着温度在200-700℃之间的黑体辐射峰值波长，和普通发动机燃烧温度相近，是红外搜索和跟踪的主要探测波段，采用同一波段的百瓦级大功率激光进行定向压制式红外干扰是反制红外跟踪的最直接有效的手段。因此， 2~5 μm中红外激光技术在大气遥感、星地通信、医疗健康、环保监控、国防安全等领域具有重要应用。
光纤具有输出光束质量高、单位长度成本低、柔性可弯曲、结构紧凑、重量轻和便携性高等优点，低损耗石英玻璃光纤技术在近红外1~2 μm波段的千瓦至万瓦级的高功率光纤激光技术的发展过程中起到了关键性的作用。当前迅速发展的中红外激光技术也已经呈现出与光纤技术紧密结合的趋势。例如，中红外光纤激光器、中红外光纤超连续谱光源都必须用到光纤介质；在3 μm以上波段，基于半导体材料技术的中红外量子级联激光器也已经开始放弃笨拙的自由空间输出的方式，而采用更为灵活的光纤耦合输出技术。因此，中红外高功率激光技术的快速发展迫切需要中红外光纤技术迅速地跟进。
中红外光纤包括玻璃光纤和晶体光纤两大类，前者包括非石英玻璃的碲酸盐玻璃光纤、氟化物玻璃光纤和硫系玻璃光纤，后者以卤化物晶体光纤为代表。和晶体不同，在高温下，玻璃的粘度等参数随温度连续变化，可以从预制棒拉制出连续长度公里以上的纤维型光波导，尽管特种玻璃光纤在高纯玻璃制备和光纤制备阶段的成本很高，但一旦量产，其单位长度成本可以得到大幅度的降低；此外，玻璃光纤可以直接制备成单模波导。因此，玻璃光纤在制备成本和输出光束质量上较晶体光纤有着绝对的优势。
在中红外玻璃中，基于硫族元素（硫、硒、碲）的硫系玻璃是能够覆盖中红外2微米以上最宽波段的光纤材料。此外，硫系玻璃的三阶克尔非线性折射率系数n2在10-18~10-17m2/W量级，是所有光学玻璃中最高的，比石英玻璃高出2~3个数量级；在硫系光纤中产生相同的非线性相位移动所需的激光峰值功率要比在相同芯径的石英光纤低2~3个数量级。因此，硫系玻璃光纤三个最重要的应用是高功率中红外激光传输、中红外非线性频率产生（如受激拉曼散射、受激布里渊散射、以及中红外超连续谱产生等）和中红外光纤束热像传输。而前两者都要求光纤能够承受和输出较高激光功率。
目前，中红外激光在2~5 μm波段上的近单模连续输出的功率水平已达到百瓦量级。这迫切需要中红外光纤传输技术在满足近单模输出要求的同时，还要能够承受百瓦级高功率中红外激光。此外，激光遥感、光电对抗等应用要求中红外2~5 μm光纤超连续谱光源具有平坦的光谱谱线和高光谱功率密度。具体地，要求有用的2~5 μm波段光谱功率密度达到10~100 mW/nm，即光谱总平均功率为30~300瓦。综合考虑到泵浦耦合效率、光纤损耗、泵浦-超连续谱产生的光-光转换效率等因素，这也要求单模输出的硫系光纤能够承受百瓦级的中红外超快脉冲激光泵浦。然而，目前报道的单模硫系玻璃光纤能够承受的最高平均功率只有12 W（@2 μm），所用光纤为芯径12 μm的As-S阶跃折射率光纤。
发明内容
解决的技术问题：针对现有单模硫系玻璃光纤难以传输高平均功率（几十瓦至百瓦级）中红外激光的问题，本发明提供了一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，该单模硫系玻璃微结构光纤能够传输百瓦级平均功率的中红外激光。
技术方案：一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，包括基底材料和填充材料，所述填充材料为若干个镶嵌于基底材料内部且沿基底材料中心线围绕的呈多层周期性排列的填充柱，最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层，填充柱的直径d与相邻两个填充柱中心间距Ʌ的比值d/Ʌ为0.30~0.45，基底材料为Ge-Sb-S硫系玻璃，其化学式为GexSbyS(1-x-y)，其中x=0.15~0.25，y=0.1~0.2；填充材料为Ge-As-S硫系玻璃，其化学式为GemAsnS(1-m-n), 其中m=0.15~0.26，n=0.08~0.25；基底材料的折射率大于填充材料的折射率；光纤端面镀有ZnS和Al2O3交替叠加的若干层增透膜。
作为优选，所述多层周期性排列中多层为至少两层，每层填充柱呈正六边形排列，最内层为6个填充柱围成的正六边形，从最内层开始，每增加一层，增加6个填充柱。
作为优选，所述光纤的纤芯直径≥150 μm。
有益效果：
（1）本发明单模硫系玻璃微结构光纤的模场直径比传统单模硫系玻璃阶跃折射率光纤大10倍以上，使得前者理论上能够承受的中红外激光功率比后者高1~2个数量级。
（2）光纤的激光损伤通常发生在输入端面，本发明单模硫系玻璃微结构光纤端面镀有高抗损增透膜（Al2O3和ZnS材料具有远高于硫系玻璃的抗激光损伤阈值），可有效避免高功率激光入射时端面的损伤，显著提高光纤端面能够承受的激光功率。
（3）本发明基底材料（Ge-Sb-S）和填充材料(Ge-As-S)均为具有高激光损伤阈值的硫系玻璃，其激光损伤阈值比传统As-S硫系玻璃材料高2倍以上，可有效提高光纤能够承受的激光功率。
（4）本发明单模硫系玻璃微结构光纤能够传输百瓦级平均功率的中红外激光，比目前报道的单模硫系玻璃光纤能够传输的最高平均功率高10倍以上。
附图说明
图1本发明的单模硫系玻璃微结构光纤截面示意图。
图中各数字标号代表如下：1-基底材料，2-填充材料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
参见图1，本实施例中基底材料1是化学式为Ge0.25Sb0.1S0.65的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.195，填充材料2是化学式为Ge0.26As0.08S0.66的硫系玻璃，在3μm波长的折射率为2.122，填充材料2为镶嵌于基底材料1内部且沿基底材料1中心线围绕的呈两层周期性排列的填充柱，每层结构均呈正六边形，最内层为6个填充柱围成的正六边形，最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层。填充柱的直径d为45 μm，相邻两个填充柱中心间距Ʌ为100 μm，d/Ʌ=0.45，光纤纤芯直径为200 μm。光纤端面镀有ZnS和Al2O3交替叠加的两层增透膜。
具体工艺如下：采用常规真空熔融-淬冷技术结合玻璃蒸馏提纯技术制备Ge0.25Sb0.1S0.65和Ge0.26As0.08S0.66玻璃，采用常规堆拉技术制备微结构光纤，采用常规电子束蒸发技术在光纤束端面先后蒸镀一层厚度为242 nm的ZnS薄膜和一层厚度为325 nm的Al2O3薄膜。采用实验室现有的最高平均功率为400 W的单模2 μm连续光纤激光器（江苏师范大学先进激光材料与器件重点实验室搭建）、平均功率为300 mW的单模4.6 μm量子级联激光器（美国Daylight Solutions公司生产）、CaF2耦合透镜、功率计和2-16 μm光束质量分析仪（美国DataRay公司生产）测试光纤的传输性能，测试结果显示：光纤在2 μm和4.6 μm均为单模传输，传输损耗分别为0.8 dB/m和1.0 dB/m，光纤能够传输的2 μm激光的最高平均功率约为204 W。
实施例2
本实施例中基底材料是化学式为Ge0.15Sb0.2S0.65的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.361，填充材料是化学式为Ge0.2As0.18S0.62的硫系玻璃，在3μm波长的折射率为2.236，填充材料为镶嵌于基底材料内部且沿基底材料中心线围绕的呈三层周期性排列的填充柱，每层结构均呈正六边形，最内层为6个填充柱围成的正六边形（从内往外数，第二层为12个填充柱，第三层为18个填充柱），最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层。填充柱的直径d为36 μm，相邻圆柱中心间距Ʌ为90 μm，d/Ʌ=0.40，光纤纤芯直径为180 μm。光纤端面镀有Al2O3-ZnS-Al2O3交替叠加的三层增透膜。
具体工艺如下：采用常规真空熔融-淬冷技术结合玻璃蒸馏提纯技术制备Ge0.15Sb0.2S0.65和Ge0.2As0.18S0.62玻璃，采用常规堆拉技术制备微结构光纤，采用常规电子束蒸发技术在光纤束端面先后蒸镀一层厚度为210 nm的Al2O3薄膜、一层厚度为146 nm的ZnS薄膜和一层厚度为180 nm的Al2O3薄膜。采用实验室现有的最高平均功率为400 W的单模2 μm连续光纤激光器（江苏师范大学先进激光材料与器件重点实验室搭建）、平均功率为300mW的单模4.6 μm量子级联激光器（美国Daylight Solutions公司生产）、CaF2耦合透镜、功率计和2-16 μm光束质量分析仪（美国DataRay公司生产）测试光纤的传输性能，测试结果显示：光纤在2 μm和4.6 μm均为单模传输，传输损耗分别为0.6 dB/m和0.8 dB/m，光纤能够传输的2 μm激光的最高平均功率约为178 W。
实施例3
本实施例中，基底材料是化学式为Ge0.18Sb0.18S0.64的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.322，填充材料是化学式为Ge0.15As0.25S0.6的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.264，填充材料为镶嵌于基底材料内部且沿基底材料中心线围绕的呈四层周期性排列的填充柱，每层结构均呈正六边形，最内层为6个填充柱围成的正六边形（从内往外数，第二层为12个填充柱，第三层为18个填充柱，第四层为24个填充柱），最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层。填充柱的直径d为22.5 μm，相邻圆柱中心间距Ʌ为75 μm，d/Ʌ=0.3，光纤纤芯直径为150 μm。光纤端面镀有ZnS-Al2O3-ZnS-Al2O3交替叠加的四层增透膜。
具体工艺如下：采用常规真空熔融-淬冷技术结合玻璃蒸馏提纯技术制备Ge0.18Sb0.18S0.64和Ge0.15As0.25S0.6玻璃，采用常规堆拉技术制备微结构光纤，采用常规电子束蒸发技术在光纤束端面先后蒸镀一层厚度为110 nm的ZnS薄膜、一层厚度为140 nm的Al2O3薄膜、一层厚度为90 nm的ZnS薄膜和一层厚度为120 nm的Al2O3薄膜。采用实验室现有的最高平均功率为400 W的单模2 μm连续光纤激光器（江苏师范大学先进激光材料与器件重点实验室搭建）、平均功率为300 mW的单模4.6 μm量子级联激光器（美国Daylight Solutions公司生产）、CaF2耦合透镜、功率计和2-16 μm光束质量分析仪（美国DataRay公司生产）测试光纤的传输性能，测试结果显示：光纤在2 μm和4.6 μm均为单模传输，传输损耗分别为0.5dB/m和0.7 dB/m，光纤能够传输的2 μm激光的最高平均功率约为135 W。
对比例1
本对比例制备的光纤与实施例3相同，唯一的区别是光纤两端未镀膜，测试结果显示：光纤在2 μm和4.6 μm均为单模传输，传输损耗分别为0.5 dB/m和0.7 dB/m，光纤能够传输的2 μm激光的最高平均功率约为32 W。
对比例2
同实施例3，区别在于，本对比例中基底材料是化学式为Ge0.14Sb0.09S0.77的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.135，填充材料是化学式为Ge0.14As0.07S0.79的硫系玻璃，在3 μm波长的折射率为2.068。测试结果显示：光纤在2 μm和4.6 μm均为单模传输，传输损耗分别为1.5 dB/m和1.8 dB/m，光纤能够传输的2 μm激光的最高平均功率约为36 W。

Claims (3)

1.一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，其特征在于：包括基底材料和填充材料，所述填充材料为若干个镶嵌于基底材料内部且沿基底材料中心线围绕的呈多层周期性排列的填充柱，最内层填充材料围绕的区域为光纤的纤芯，填充材料与基底材料共同构成的呈多层周期性排列的结构形成光纤的包层，填充柱的直径d与相邻两个填充柱中心间距Ʌ的比值d/Ʌ为0.30~0.45，基底材料为Ge-Sb-S硫系玻璃，其化学式为GexSbyS(1-x-y)，其中x=0.15~0.25，y=0.1~0.2；填充材料为Ge-As-S硫系玻璃，其化学式为GemAsnS(1-m-n), 其中m=0.15~0.26，n=0.08~0.25；基底材料的折射率大于填充材料的折射率；光纤端面镀有ZnS和Al2O3交替叠加的若干层增透膜。
2.根据权利要求1所述的一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，其特征在于，所述多层周期性排列中多层为至少两层，每层填充柱呈正六边形排列。
3.根据权利要求1所述的一种可传输高功率中红外激光的单模硫系玻璃微结构光纤，其特征在于，所述光纤的纤芯直径≥150 μm。
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