掺铒型磷酸盐玻璃激光材料

1050
2.0x105 1.5x105
549 523
Intensity(a.u.)
1.0x105 651
5.0x104 828
0.0 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 Wavelength(nm)
NPRE-1 型玻璃样品上转换荧光发射谱
0.10 0.09
NPRE-1 型玻璃样品吸收谱
1.0
I4 11/
2
(Er3
)

2F5/
2
(Yb3
)
0.8
Intensity(a.u.)
0.6
0.4
G 4 11/ 2
H 2 11/ 2
F 4 7/2
F 4 9/2
0.2
300 450 600 750 900 Wavelength(nm)
NPRE-1 型玻璃样品吸收谱
研究重点
掺铒磷酸盐激光玻璃作为近年来出现的一 种新型光纤放大器增益介质，在实现宽带 通信系统中逐步扮演起重要角色
如何通过优化制造工艺和调整玻璃组分来 改善掺杂离子的发光特性成为目前磷酸盐 玻璃的研究重点
另外，虽然对磷酸盐玻璃的除水做了很多 工作，但是对除水机理还不是很明确
目前，铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤及其放大 器主要解决如下的几个问题，就能推进其 商品化及其应用
目前光纤放大器的基质材料大多为硅酸盐 玻璃，而硅酸盐玻璃的声子能量大，多声 子弛豫几率大，使得发光效率下降。因此 找一种工艺相对简单、声子能量又低的基 质材料是很必要的，磷酸盐玻璃正是集这 两种优点于一身的基质材料
先对新组份掺 Er3+ 、Yb3+磷酸盐玻璃 （简称NPRE-1）发光机理进行简单介绍
I4 13/ 2

I4 15 / 2
Intensity(a.u.)
0.08
0.07
0.06
1400
1500
1600
Wavelength(nm)
1700
NPRE-1 型玻璃样品近红外荧光光谱
成分变化对磷酸盐玻璃性质的影响
通过调整玻璃成分在很大范围内改变材料的 性质，包括物理化学性质和发光特性
Thank you！
CCl4 + 2H2O→CO2 ↑ + 4HCl↑
2 ( P - OH) +CCl4 →P - O - P + 2HCl +COCl2
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掺铒磷酸盐玻璃的应用
到目前为止所报道的掺铒光纤放大器在 1535nm获得的单位长度上最大的小信号输 出增益为5dB / cm
Kigre公司牌号为MM - 2的磷酸盐玻璃被认 为是目前市场上最好的1. 55μm激光器和放 大器材料之一。该玻璃制成的光纤在4cm长 度下获得了20dB的增益，高出石英基质的 Er3 +光纤2个数量级
固体发光原理
1、基质晶格吸收激发能 2、基质晶格将吸收的激发 能传递给激活离子
3、 被激活的离子发出荧光 而返回基态
发光材料吸收光子的能量，即发光材料吸收高能 量的短波辐射，发射出低能量的长波辐射，服从 斯托克（stokes）定律。
然而，却有一种发光现象恰恰相反：激发波长大 于发射波长，这称为反stokes效应或上转换现象。
这种光纤是以非晶态物质玻璃为基质，在 其中掺入一定量的稀土离子
玻璃具有可塑性好、易制作、成本低等优 点
稀土离子的能级丰富，可发出许多波段的 光，且其在不同的基质环境中可发出不同 波段的光
这些优点使得稀土掺杂的玻璃材料在现代 光纤通讯中有广阔的应用前景
掺铒光纤放大器在光纤通讯中的成熟应用 即是一例
1. 铒离子的浓度淬灭及其热淬灭引起的放 大器增益下降
2. 铒镱的能量反向传递及其能量上转换造 成的铒1530 nm信道光的削减
3. 泵浦耦合方式及其连接损耗造就的效率 低
4. 铒镱共掺磷酸盐玻璃光纤的研制及其实 验
掺铒磷酸盐玻璃作为宽带放大器玻璃主动 光纤的重要组成部分,其基础研究会更加深 入和多元化,应用前景也将随着综合指标进 一步提高而更加广阔
曾有许多关于除水工艺的报道，包括真空 干燥、通干燥气体鼓泡、提高玻璃的熔炼 温度、延长熔炼时间以及在干燥大气中二 次熔炼等
目前比较有效且使用最多的方法是通干燥 气体鼓泡，并由气体携带入如CCl4之类的 有效除水剂(反应气氛法, RAP) ，获得了一 定的除水效果:
2 ( P - OH) →P - O - P +H2O
磷酸盐激光玻璃除了掺Er3 +外，也可以与 Yb3 +离子共掺，通过Yb3 +离子(2 F5 /2 ) 能级与Er3 +离子(4 Ⅰ11 /2 )能级之间的能 量传递,以提高铒离子的抽运效率
当抽运光波长为980nm时，由于Yb3 +在此 波段的吸收截面比Er3 +大很多，所以大部 分泵浦光被Yb3 +所吸收,激发到第1激发态 (2 F5 /2 )上，被激发的Yb3 +把吸收到的能 量通过Yb3 + - Er3 +对转移给基态Er3 +
稀土掺杂上转换发光玻璃材料由于可做为 半导体泵浦小型蓝、绿光固体激光器的工 作物质，成为争相研究的热点
掺铒磷酸盐激光玻璃所发激光波段位于 1530nm附近，为眼睛安全区域，因而广泛 应用于军事和测距等领域。另一方面，由 于1530nm波段处于通信第3窗口，掺铒光 纤放大器被广泛应用于光纤通信领域
美国NP Photonic公司研制出NP /MMP - 10 型掺铒磷酸盐光纤放大器(微型光纤放大器
EMFA)
采用8cm长的掺铒磷酸盐玻璃主动光纤,用 1W多模激光二极管泵浦, 在1535nm 的波段 获得峰值为43dB的高增益;在1550nm达到 27dB增益
EMFA的优点是结构紧凑，可作半导体激光 放大器( SOA)和掺铒波导放大器( EDWA) 的排列
1966年法国Auzel在NaY(WO4)2:(Yb,Er)材料中 发现发射光子的能量大于吸收光子能量的上转换 发光现象。
掺铒磷酸盐玻璃利用铒离子作为放大媒质， 在泵浦光的作用下实现光放大，其原理可以 从铒离子的能级(见上页图)得到解释
铒离子常温下处于基态(4 Ⅰ15 /2 ) ,在泵浦 光的作用下产生受激吸收并激发至激发态(4 Ⅰ11 /2 ) ,然后绝大部分受激离子通过非辐 射跃迁至亚稳态(4 Ⅰ13 /2 ) 。铒离子在(4 Ⅰ13 /2 )与(4 Ⅰ15 /2 )之间实现粒子数反转, 构成激光上、下能级,相应的辐射波长处于 1550nm 附近,当1550nm光信号通过时,处于 上能级的铒离子将产生受激辐射,从而实现 对信号光的放大
掺铒激光玻璃光学性质的成分依赖性是明显 的，如掺铒磷酸盐玻璃中磷的含量变化会直 接影响到J - O强度参数的改变，Ω2 的值随 着P2O5 含量的增加而增大
磷酸盐玻璃的除水
磷酸盐玻璃对水有强烈的亲和力，如果不 采取特殊的除水工艺，玻璃中将含有较高 浓度OH- ，它通过双声子猝灭机制和Er3 + 发生相互作用，导致Er3 +的4 Ⅰ13 /2能级 粒子的非辐射跃迁,对磷酸盐玻璃的发光性 能产生严重影响
掺铒型磷酸盐玻璃激光 材料简介
主要内容： 研究背景 掺铒磷酸盐玻璃光放大原理 NPRE-1型磷酸盐玻璃的研究现状及发展前景
目前，石英光导纤维的损耗已降至 0.2dB ／ｋｍ 以下，多种特殊光纤也层出不穷， 如双折射光纤、衰减场光纤、掺稀土元素 的光纤等
在这些光纤中，掺稀土元素的光纤由于具 有光放大的特性，能满足长途光纤通讯网 中继器的要求，成为目前国际上争相研究 的热点