应用于2.1 μm激光的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤研究

李成植， 姚传飞， 王顺宾， 贾志旭， 何春风， 赵 丹， 秦冠仕， 秦伟平

(吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子国家重点实验室， 吉林 长春 130012)



应用于2.1 μm激光的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤研究

李成植， 姚传飞， 王顺宾， 贾志旭， 何春风， 赵 丹， 秦冠仕*， 秦伟平

(吉林大学电子科学与工程学院 集成光电子国家重点实验室， 吉林 长春 130012)

采用棒管法制备了低羟基含量的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤。当使用波长为1 560 nm的激光器泵浦 Tm3+/Ho3+共掺光纤时，处于Tm3+基态3H6的电子被激发至3F4能级，进一步通过Tm3+和Ho3+间的能量传递过程3F4→3H6(Tm3+)：5I8→5I7(Ho3+)(能量失配为745 cm-1)布居Ho3+的5I7能级，5I7能级上的电子向5I8能级跃迁发射出2.1 μm的光。使用1 560 nm光纤激光器作为泵浦源，18 cm 长的Tm3+/Ho3+氟碲酸盐微结构光纤作为增益介质，获得了波长为2 063 nm的激光输出。所得激光的斜率效率为12.9%，激光阈值为163 mW，未饱和的最大输出功率为40 mW。研究结果表明，Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤可用于制作2.1 μm光纤激光器。

氟碲酸盐； 2.1 μm 激光； Tm3+/Ho3+； 微结构光纤

1 引 言

近年来，2 μm波段的光纤激光器由于可被用于光通信、相干激光雷达、临床医疗手术、大气传感以及污染检测而受到广泛关注[1-5]。目前，人们通常采用在光纤基质中掺杂Tm3+以及Ho3+来实现2 μm激光输出。Jackson等[6]于1998年在Tm3+掺杂的石英光纤中实现了最大功率为5.4 W的2 μm激光，斜率效率31%。Kurkov等[7]于2010年在掺杂Ho3+的石英光纤中，使用1 147 nm的激光作为泵浦光实现了2.1 μm激光输出，最大输出功率为10 W。与Tm3+光纤激光相比， Ho3+光纤激光可以输出更长波长的激光。更长的激光波长意味着大气的通过率更高，在某些应用上更有优势[8-11]。理论上Ho3+在2.1 μm处的发射截面为Tm3+发射截面的5倍左右。但是Ho3+存在一个不可忽视的缺点，即其能级结构决定了Ho3+无法使用商用激光器(800 nm，980 nm)作为泵浦光，这限制了2.1 μm波长Ho3+掺杂光纤激光器的应用。针对这个问题，研究者们提出了Ho3+与Tm3+共掺杂的方式，将Ho3+激光波长长、发射截面大的优点与Tm3+激光可用商用LD作为泵浦源的优势结合起来。Oh等[12]于1994年首次采取在Tm3+/Ho3+共掺的石英光纤实现了2.096 μm的激光输出，激光斜率为4.2%，最大输出功率为12.5 mW。Tsang等[13]在2008年采用Tm3+/Ho3+共掺的方式在碲酸盐光纤中也实现了2.1 μm的激光输出，激光斜率效率达62%。尽管在石英、锗酸盐、碲酸盐、氟化物等光纤中均已实现了2.1 μm的激光输出，但是为了进一步提高激光器的性能，如激光器斜率效率、最大输出功率、散热性能和激光阈值等，人们仍然在探索更加适用于中红外波段光纤激光器的光纤基质材料[14-16]。其中氟碲酸盐玻璃由于兼具有碲酸盐玻璃稳定性好、稀土离子发射截面大和氟化物玻璃声子能量低等优点，被认为是极具应用潜力的中红外材料而受到国内外的广泛关注[17-20]。顾名思义，氟碲酸盐玻璃即是向传统的碲酸盐玻璃中掺杂如氟化物组分。2003年，O’Donnell等[21]研究了氟碲酸盐玻璃的性质，发现氟碲酸盐玻璃相对于传统的碲酸盐玻璃具有更宽的红外透过光谱(0.4～6 μm)和更低的声子能量；同时，氟离子的加入会使得碲酸盐玻璃中的O—H键断裂，极大地降低玻璃中羟基的含量，提高了玻璃的中红外性能。2012年，Zhan 等[22]研究了氟碲酸盐玻璃中Er3+的发光性质，发现氟化物的引入可以显著提高Er3+：2.7 μm的发光性能。He等在2009年研究了Ho3+掺杂氟碲酸盐玻璃中2.1 μm的发光，发现了其品质因子(σem×τf)为 7.13×10-27m2·s，这个值比碲酸盐玻璃、氟化物玻璃、石英玻璃的都大，表明氟碲酸盐玻璃是一种较为理想的用于2.1 μm激光的基质材料[23]。

虽然氟碲酸盐玻璃中的2.1 μm的发光性质已经有了较为系统的研究，然而到目前为止，仍然没有采用Tm3+/Ho3+共掺杂氟碲酸盐光纤实现2.1 μm激光输出的报道，其原因是氟化物的引入会导致玻璃基质在拉制光纤时容易析晶。因此，探索出一种具有低声子能量、宽的红外透过谱、化学稳定性及热稳定性优异的氟碲酸盐光纤是目前研究的热点及难点。

本文采用物理化学除水法制备出了一种低羟基(—OH)含量的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐玻璃。利用其作为纤芯材料，使用捆绑法和棒管法制备出了Tm3+/Ho3+共掺杂的氟碲酸盐微结构光纤。进一步以这种光纤作为增益介质，以1 570 nm的掺Er3+光纤激光器作为泵浦源，获得了2.1 μm激光输出，激光的斜率效率为12.9%，未饱和的最大输出功率为40 mW，激光阈值为163 mW。该激光性能较之前的Tm3+/Ho3+共掺杂碲酸盐微结构光纤激光有了较大的提升[24]。据我们所知，这也是首次采用Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤实现了2.1 μm激光输出。

2 实 验

2.1 Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐玻璃的制备与表征

首先，我们用传统热熔法制备了Tm3+/Ho3+共掺的氟碲酸盐玻璃以及用作包层的氟碲酸盐玻璃，其量比分别为70TeO2-20BaF2-9Y2O3-0.5Tm2O3-0.5Ho2O3(TBYTH)和(90-x)TeO2-xBaF2-10Y2O3(TBY)。在本实验中使用的化学药品纯度均为99.99%。将配合好的10 g药品充分混合，用刚玉坩埚盛放，先放入400 ℃的马弗炉里面预除水3 h，然后放入950 ℃的马弗炉内熔融30 min，全程向炉子里面通入干燥的氧气。最后将熔融的玻璃液倾倒在370 ℃预热的的铜模具上，在370 ℃下精密退火3 h。将退完火的玻璃研磨抛光，切成10 mm×10 mm×1 mm的样品进行光谱性质及热学性质的测量。

2.2 仪器与测试

玻璃的300～2 500 nm波段透过谱使用岛津Shimadzu UV3600分光光度计测试，2 500～7 000 nm波段由Nicolet 6700 FTIR红外光谱仪测试。玻璃的折射率由XLS100椭偏仪测得。另外，我们还使用PerkinElmer TGDTA6200测试了差热分析性质，测试范围是30～1 000 ℃，步长为10 ℃/min。

3 结果与讨论

3.1 TmHo共掺杂氟碲酸盐玻璃的光谱分析

图1(a)为Tm3+/Ho3+共掺杂氟碲酸盐玻璃的吸收谱，图中所标示出的为Tm3+、Ho3+从基态到各个激发态的吸收峰。由于Tm3+的存在，该材料在800 nm和1 570 nm处有吸收，因此可以被波长为800 nm和1 570 nm的激光激发。插图为2 500～7 000 nm的红外透过谱，可以看到所得氟碲酸盐玻璃的红外吸收可到6 500 nm。图中2.76～3.86 μm的吸收是由玻璃中羟基所引起的，计算可知羟基的～3.079 μm处吸收峰的吸收系数为～0.1 cm-1(～0.43 dB/cm)，是目前所得到的较低的羟基含量。图1(b)为不同BaF2含量的玻璃(90-x)TeO2-xBaF2-10Y2O3(x=0,5,10,15,20,25,30,35,40)中羟基在～3.079 μm处的吸收系数随x的变化。当引入BaF2的摩尔分数小于15%时，随BaF2含量的增大，羟基的吸收系数逐渐减小，当BaF2摩尔分数大于15%时，羟基的吸收系数保持不变，此时BaF2的作用达到饱和。可见，玻璃内的羟基含量可以通过引入BaF2来有效地降低。

图1 (a)Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐玻璃的吸收光谱，插图为玻璃2 500～7 000 nm的红外透过谱；(b)氟碲酸盐玻璃的3.079 μm处羟基的吸收系数随BaF2摩尔分数的变化趋势。

Fig.1 (a) Absorption spectra of Tm3+/Ho3+co-doped fluorotellurite glass. Inset shows the transmittance spectra from 2 500 to 7 000 nm. (b) Absorbance of OH-in fluorotellurite glasses as the function of BaF2mole fraction.

图2为本实验中用于纤芯和包层的玻璃材料的DTA曲线。包层玻璃的转变温度Tg和析晶温度Tx分别为424 ℃和522 ℃，纤芯玻璃的转变温度Tg和析晶温度Tx分别为425 ℃和528 ℃。包层玻璃和纤芯玻璃的ΔT=Tx-Tg分别为98 ℃和102 ℃，说明这两种玻璃材料具有较好的热稳定性能，可以制备光纤。而且这两种玻璃的转变温度(425 ℃)要比之前报道的氟碲酸盐玻璃组分(60TeO2-30ZnF2-10NaF)的转变温度(～287 ℃)要高[22]，原因是我们引入了熔点较高的的氧化钇Y2O3。较高的转变温度可以保证基于这种玻璃基质的光纤具有较高的损伤阈值。

根据Tm3+/Ho3+共掺杂氟碲酸盐玻璃的吸收谱，我们按照文献[24]中的公式计算了Ho3+在2.1 μm处的吸收截面和发射截面。2 048 nm处的发射截面为7.75×10-21cm2，大于碲酸盐、锗酸盐、氟化物玻璃中的发射截面，因此，基于TBY组分的氟碲酸盐玻璃是一种应用于2.1 μm激光的理想基质材料[25]。

图2 纤芯玻璃和包层玻璃的DTA曲线

3.2 氟碲酸盐微结构光纤的制备

首先，我们以改进的吮吸法制备了直径为7 mm的阶跃型的预制棒[26]。这个预制棒由两部分组成：外层是一层厚度很薄的小包层(1.5 mm)，材料组分为65TeO2-25BaF2-10Y2O3；里面是实心的Tm3+/Ho3+共掺的氟碲酸盐玻璃。然后，将该预制棒拉成直径为1.8 mm的细棒，并将同等尺寸的6个空心的毛细管与该细棒捆绑放入套管内拉制二次预制棒。最后，使用套管法再进行一次拉制，将预制棒拉制成氟碲酸盐微结构光纤。

图3(a)为二次预制棒的截面图，光纤的横截面如图3(b)所示。图3(b)中虚线内为微结构光纤的纤芯区域，纤芯的直径为6 μm。在2.1 μm波长处，纤芯材料的折射率为1.798，包层的折射率为1.773。纤芯被一层低折射率的氟碲酸盐材料和3层空气孔所包围。这种结构的好处是光可以被很强地限制在纤芯内传播，且具有模场积分因子可调的性质；另外由于一层小包层的存在，空气中的水分子以及灰尘等脏东西也不易进入空气孔中影响光纤的性能。图4为使用Mode Solution软件计算得到的光纤中模式的受限损耗。在2.1 μm波长处， LP01、LP11、LP12模式的损耗分别为1.85×10-10, 7.27×10-6, 6.32×10-6dB/m。我们使用回切法测试了未掺杂的光纤在1 560 nm处的传输损耗为3.6 dB/m。

图3 Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤预制棒(a)以及光纤(b)的横截面图

Fig.3 Cross-section of Tm3+/Ho3+co-doped fluorotellurite preform rod(a) and fiber(b)

图4 Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤的受限损耗

Fig.4 Confinement loss of Tm3+/Ho3+co-doped fluorotellurite microstructure fiber

3.3 Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤的激光性能

为表征Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤在2.1 μm处的激光性能，我们搭建了如图5所示的装置。泵浦源为1台波长为1 560 nm的掺Er3+光纤激光器，输出的激光经过透镜组耦合进Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤中。微结构光纤中输出的光由1根大模场面积的石英光纤(模场面积为～3 140 μm2，数值孔径为0.45)，导入到1台光谱分析仪(Yokogawa AQ6375)。在本实验中，2.1 μm激光器的谐振腔腔镜是由微结构光纤本身的端面处的菲涅尔反射(反射率为～9%)构成，因此不需要额外加入反射镜就可以在微结构光纤中得到激光振荡，大大简化了激光器系统。

图5 2.1 μm Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤激光器的实验装置图

Fig.5 Schematic diagram of the experimental setup for Tm3+/Ho3+fiber laser

图6(a)为泵浦光为477.5 mW时，15 cm的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐微结构光纤输出的激光光谱。激光波长为2 059 nm，阈值为182 mW。随着泵浦激光功率增大到477.5 mW，2.1 μm激光未饱和的最大输出功率为30.66 mW，激光的斜率效率为9.1%，如图6(b) 所示。这里的斜率效率高于之前报道的Tm3+/Ho3+共掺碲酸盐微结构光纤激光器的斜率效率～2.97%[24]。

之后，我们通过将光纤长度增加到18 cm，得到了2 063 nm的激光输出，激光斜率效率为12.9%，阈值为163 mW，如图7所示。光纤长度增大导致激光波长向长波移动了4 nm，原因是长光纤中较强的再吸收作用。而斜率效率升高是因为光纤长度增大后，激光器的增益长度变大可以增加对泵浦光的利用率，进而转化为2.1 μm的激光。阈值降低的原因是光纤的增益长度变大使其在2.1 μm处的增益变大，当增益满足激光振荡时即有激光输出，因此激光阈值会降低。

图6 (a) 泵浦光功率为477.5 mW时，15 cm长的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤中的2.1 μm激光和泵浦光的光谱图；(b) 2.1 μm激光功率与泵浦光功率的关系。

Fig.6 (a) Spectrum of 2.1 μm laser and pump laser from 15 cm Tm3+/Ho3+fluorotellurite microstructure fiber with the pump power of 477.5 mW. (b) Output power of 2.1 μm laser as a function of the launched pump power.

图7 (a) 泵浦光功率为477.5 mW时，18 cm长的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤中的2.1 μm激光和泵浦光的光谱图；(b) 2.1 μm激光功率与泵浦光功率的关系。

Fig.7 (a) Spectrum of 2.1 μm laser and pump laser from 18 cm Tm3+/Ho3+fluorotellurite microstructure fiber with the pump power of 477.5 mW. (b) Output power of 2.1 μm laser as a function of the launched pump power.

4 结 论

采用物理化学除水法制备出了一种低羟基(—OH)含量的Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐玻璃，以其为纤芯材料，使用捆绑法和棒管法拉制了Tm3+/Ho3+共掺杂的氟碲酸盐微结构光纤。以这种光纤作为增益介质，使用1 570 nm的掺Er3+光纤激光器作为泵浦源，获得了2.1 μm的激光输出，激光的斜率效率为12.9%，未饱和的最大输出功率为40 mW，激光阈值为163 mW。据我们所知，这是首次采用Tm3+/Ho3+共掺氟碲酸盐光纤实现了2.1 μm激光输出。

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李成植(1993-)，男，吉林长春人，在读本科生，主要从事中红外特种光纤激光器的研究。

E-mail: 15948304370@163.com

秦冠仕(1976-)，男，河南安阳人，教授，博士生导师，2004年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位，主要从事光纤激光器的研究。

E-mail: qings@jlu.edu.cn

Tm3+/Ho3+Co-doped Fluorotellurite Microstructure Fiber for 2.1 μm Lasing

LI Cheng-zhi, YAO Chuan-fei, WANG Shun-bin, JIA Zhi-xu, HE Chun-feng, ZHAO dan, QIN Guan-shi*, QIN Wei-ping

(StateKeyLaboratoryonIntegratedOptoelectronics,CollegeofElectronicScience&Engineering,JilinUniversity,Changchun130012,China)*CorrespondingAuthor,E-mail:qings@jlu.edu.cn

Tm3+/Ho3+co-doped fluorotellurite microstructure fibers with low concentration of —OH were fabricated by using a rod-in-tube method. Pumped by 1 560 nm fiber laser, electron at Tm3+:3H6jump to Tm3+∶3F4, and then energy transfer from Tm3+to Ho3+can occure for the reason of small energy gap (745 cm-1) between Tm3+:3F4and Ho:5I7, fluorescence at ～2.1 μm can be obtained with the transition from level of Ho3+:5I7to Ho3+:5I8. By using a 1 560 nm Er3+doped fiber laser as the pump source, an all-fiber lasing at 2 063 nm is obtained from a 18 cm Tm3+/Ho3+co-doped fluorotellurite microstructure fiber. The corresponding slope efficiency is about 12.9%, the threshold is 163 mW, and the maximum unsaturated laser output power is 40 mW. The results indicate that the Tm3+/Ho3+doped fluorotellurite microstructure fiber is a promising gain medium for 2.1 μm fiber laser.

fluorotellurite glasses; 2.1 μm lasing; Tm3+/Ho3+co-doped; microstructure fiber

1000-7032(2016)01-0074-07

2015-08-10；

2015-11-02

国家自然科学基金(51072065,61178073,60908031,60908001,61077033,61378004)资助项目

TN248

A

10.3788/fgxb20163701.0074