[发明专利]一种硫化物增益光纤及制备方法

说明书

本发明公开了一种硫化物增益光纤及制备方法，该增益光纤包括光纤芯和光纤包层，光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga‑Sb‑La‑S玻璃，光纤包层材料为Ga‑Sb‑La‑S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于包层玻璃的折射率；Ga‑Sb‑La‑S玻璃的化学组成式为20Ga₂S₃‑(80‑x)Sb₂S₃‑xLa₂S₃，其中x＝1～7；稀土离子为Dy³⁺、Tm³⁺、Er³⁺中的一种，掺杂稀土离子的质量浓度为0.05％～5％。光纤采用棒管法制备，即将纤芯玻璃和包层玻璃分别制作成细棒和套管，然后将纤芯玻璃细棒插入包层玻璃套管，拉制成最终尺寸的光纤。本发明硫化物增益光纤无毒且具有非常高的稀土离子掺杂浓度，在2.5～5μm具有强的发光，可作为低成本、紧凑型中红外光纤激光器的核心增益介质。

技术领域

本发明属于光学玻璃材料制备技术领域，涉及一种增益光纤，具体涉及一种硫化物增益光纤及制备方法。

背景技术

2.5～5μm中红外光源位于大气窗口内，可覆盖许多特征分子谱线，在成像、气体传感、医疗诊断、红外对抗等领域都具有极其重要的应用。然而，具有高集成度、高可靠性、高功率和低成本的中红外固体激光器非常稀少。光纤激光器主要是以稀土离子掺杂玻璃作为增益介质，其具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点，是实现这类紧凑型、轻量化中红外激光器的最佳选择。目前，文献报道最长波长的光纤激光输出来自Ho³⁺离子掺杂氟化物玻璃光纤，它能够实现3.95μm激光。而超过4μm波长的光纤激光则需要寻找声子能量更低的增益介质。与氟化物玻璃相比，硫系玻璃具有更低的声子能量(350cm^-1)，宽的红外透过范围(最高可达到20μm以上)以及高的折射率(2～3)，非常适合作为中红外增益介质。然而，要实现中红外激光输出，其玻璃基质必须具备高的稀土掺杂浓度、低的透过损耗、高的量子效率以及优良的热学性能和机械性能。

CN104402221A公开了一种新型的Ga-Sb-S玻璃。与目前研究比较成熟的Ge基和As基硫化物玻璃相比，该玻璃具有更低的声子能量和更宽的红外透过范围，稀土离子在该玻璃中表现出更高的量子效率和受激发射截面，是一种很有希望实现中红外激光输出的增益介质。然而，该玻璃在光纤拉制过程中非常容易析晶。CN104973793A公开了一种Ga-Sb-As-S玻璃，CN108545930A公开了一种Ga-Sb-S-I玻璃，通过引入不同元素(如As，I)有效改善了Ga-Sb-S玻璃的抗析晶性能，获得损耗较低的光纤。但是在引入的元素中，As元素具有很强的毒性，而I元素的引入会导致玻璃的稀土离子掺杂浓度显著降低(Dy³⁺离子掺杂质量浓度0.4％)，这些缺点限制其实际应用。

发明内容

针对现有稀土掺杂Ga-Sb-S光纤具有较强毒性或较低稀土离子掺杂浓度低的问题，本发明提供了一种无毒且具有高浓度稀土离子掺杂的中红外硫化物增益光纤及制备方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种硫化物增益光纤，包括光纤芯和光纤包层，所述光纤芯材料为稀土离子掺杂的Ga-Sb-La-S玻璃，光纤包层材料为Ga-Sb-La-S玻璃；光纤芯玻璃的折射率大于光纤包层玻璃的折射率；

所述Ga-Sb-La-S玻璃的化学组成式为20Ga₂S₃-(80-x)Sb₂S₃-xLa₂S₃，其中x＝1～7；

所述稀土离子为Dy³⁺、Tm³⁺、Er³⁺中的一种，掺杂稀土离子的质量浓度为0.05％～5％。

本发明还提供上述硫化物增益光纤的制备方法，采用棒管法制备，包括下述步骤：