[发明专利]发射波长处于1.3μm波段的稀土掺杂磷酸盐玻璃双包层光纤及其制备方法与应用

说明书

一种发射波长处于1.3μm波段的稀土掺杂磷酸盐玻璃双包层光纤及其制备方法与应用，所述的双包层光纤包括纤芯、内包层及外包层，其中所述的纤芯为掺Nd³⁺磷酸盐玻璃，内包层为掺Yb³⁺磷酸盐玻璃，外包层为无掺杂的氧化物玻璃。本发明中的稀土掺杂磷酸盐玻璃双包层光纤利用内包层中Yb³⁺离子的吸收使纤芯在0.9μm～1.05μm范围的传输损耗≥2dB/cm，可有效抑制纤芯中Nd³⁺离子0.9μm和1.05μm两个波段的自发辐射光，提高1.3微米激光运转时的光信噪比。本发明同时还提供了利用此双包层光纤搭建的全光纤型1.3微米调Q光纤激光器。

技术领域

本发明涉及玻璃光纤及光纤激光器领域，特别是一种发射波长处于1.3μm波段的稀土掺杂磷酸盐玻璃双包层光纤及其制备方法与应用。

背景技术

稀土离子掺杂有源光纤在光纤通信、激光、传感和检测等诸多领域都发挥了举足轻重的作用。尽管其类型在过去几十年得到了快速扩展，但开发具有理想特性的稀土掺杂光纤一直是光纤材料界的追求目标。其中，工作在1.3微米的Nd³⁺掺杂玻璃光纤因可应用于量子信息、激光加工以及医疗等领域获得了广泛关注。然而，目前适宜1.3微米激光运转的Nd³⁺掺杂基质材料主要是晶体，如Nd:YAG、Nd:YVO₄等，构建适用于工作在1.3微米的掺Nd³⁺玻璃光纤材料仍然是一个巨大的挑战。

不同于晶体中1.3微米强的发射峰，在Nd³⁺掺杂玻璃材料中1.3微米发光呈现显著不均匀展宽，且其荧光分支比仅有0.1左右，远小于源自同一上能级的0.9微米和1.06微米的荧光分支比，致使1.3微米在和0.9和1.06微米的激烈增益竞争处于严重劣势地位。此外，1.3微米还面临激发态吸收问题，即Nd³⁺离子⁴F_3/2激发态能级到⁴G_7/2能级的跃迁还会吸收1.3微米的光子，进一步削弱光纤增益。

如何抑制和解决Nd³⁺掺杂玻璃光纤中增益竞争及激发态吸收问题成为了国内外学者们的研究焦点。通过特殊设计的掺Nd³⁺微结构石英光纤提高0.9和1.06微米处的损耗，从而抑制竞争跃迁，可获得1376nm到1466nm的宽谱放大(Opt.Express,25,6524,2017)，但微结构光纤存在制备工艺复杂问题。相较于石英玻璃，Nd³⁺离子1.3微米激发态吸收在氟化物玻璃以及磷酸盐玻璃等基质中相对较弱，可实现1.3微米激光输出。但氟化物玻璃面临物化性能差、料性短、拉纤困难的缺点。相反，磷酸盐玻璃具有高稀土离子掺量、大受激发射截面、制备工艺成熟及易拉纤等优势，是一种优良的增益材料基质。然而，目前在掺Nd³⁺磷酸盐光纤中获得的1.3微米激光运转，由于未抑制0.9和1.06微米处的竞争跃迁，存在激光信噪比低、效率低等问题。

发明内容

为克服上述方案的缺点与不足，本发明的目的在于提供一种发射波长处于1.3μm波段的稀土掺杂磷酸盐玻璃双包层光纤及其制备方法与应用，通过在掺Nd³⁺磷酸盐玻璃纤芯周围引入掺Yb³⁺离子的内包层，利用Yb³⁺离子吸收定向提高纤芯900nm至1050nm的传输损耗(≥2dB/cm)，从而抑制纤芯中Nd³⁺离子的0.9及1.0微米自发辐射。该光纤综合了竞争跃迁抑制与受激吸收削弱的优势；光纤具有结构简单，制备方便等优点。同时，提供了基于此磷酸盐双包层光纤的具有高激光信噪比1.3微米调Q光纤激光器件。

本发明的目的通过以下技术方案实现：