【期刊】拥有高吸收效率的六边形稀土掺杂双薄层硫系玻璃光纤
撰稿人 | 张劲昶
TITLE | # 拥有高吸收效率的六边形稀土掺杂双薄层硫系玻璃光纤
01
论文导读
制备对于泵浦光有较高的吸收效率的高质量稀土掺杂双包层硫系玻璃光纤是中红外光纤激光器开发工作中的一个主要困难。由内外包层形成的多摸波导结构可以很好地将泵浦光耦合进内包层中。但是一些在内包层中传播的涡旋光无法被纤芯中的稀土离子吸收，从而造成了功率的浪费。为了能够避免功率的浪费，需要提高光纤吸收泵浦光的效率。
本文中，作者将圆形的内包层改为了六边形的内包层，改善了这一情况。文中作者使用光线追踪方法模拟了各种内包层下泵浦光在内包层中的传播情况，并对比了各种形状的内包层的吸收率。之后，通过挤压法制备了内包层为六边形的Er3+掺杂GeGaSbS双包层硫系玻璃光纤并于传统的圆型内包层的光纤进行了比较。
02
研究背景
3-5微米的中红外波段覆盖众多重要的分子振动的指纹区，同时位于大气最高透过窗口。因此，该波段的激光在基础科学，医学诊疗，航空航天以及国防军事等领域有着广阔的应用前景。当前获得该波段激光的主要有5种手段，分为间接和直接两类，前者包括：（1）二氧化碳激光器的倍频及差频输出。其优点是功率大，寿命长，缺点是因为工作物质是气体，所以体积庞大；（2）利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或者光学参量震荡技术将其他的波段调谐到中红外波段，其优点是全固态，可调谐，缺点是非线性晶体的激光损伤阈值较小，性能优异且尺寸较大的单晶难以制备且价格昂贵。间接法有三种分别为：（1）以氟化氘等为介质的化学激光器，其优点是功率大，光束质量好，无需外电源，缺点是需要排放有剧毒的气体；（2）以AlGaAsSb，InGaAsSb，InAs/（In）GaSb等锑化物窄禁带半导体，过渡族金属离子掺杂的II-IV族半导体制作的中红外激光器，其优点是电泵浦，全固态，覆盖波长范围宽，缺点是输出功率低，单色性和相干性差，材料生长和器件制备困难，多数依旧需要在低温下运转；（3）近红外半导体激光泵浦的稀土离子掺杂的玻璃，晶体和光纤激光器，其优点是全固态，可实现高功率输出，稳定性好，成本较低，缺点是工作介质必须有较低的声子能量，而硫化物就拥有极低的声字能量，图为多种基质玻璃的声子能量。
图1 多种基质玻璃的声字能量
因为光线激光器的优越性，以及硫系玻璃较低的声字能量，稀土掺杂的硫系玻璃的中红外激光器自然就成为了研究的热门。为了提高光线激光器的功率，双包层光纤和内包层耦合技术被开发了出来。双包层光纤既由稀土掺杂的纤芯和一层折射率较低的内包层和一层折射率更低的外包层组合形成。而内包层耦合技术既将泵浦光耦合进入内包层而非纤芯。泵浦光在内包层中不断反射并穿过纤芯并被其中的稀土离子吸收，从而激发纤芯中的稀土离子使他们发射出中红外波段的荧光。但是在这个过程中，有一部分的涡旋光不会穿过纤芯，也因此不会被纤芯中的稀土离子所吸收，这造成了功率的浪费。因此本文开创性地将圆形的内包层改为了六边形的内包层，改善了这一情况。
本文主要工作如下：
使用光线追踪的方式模拟了各种形状内包层的光纤之中泵浦光的传播情况，并比较了各种形状的内包层的光纤的吸收效率。
制备了内包层为六边形的Er3+掺杂GeGaSbS双包层硫系玻璃光纤并于传统的圆型内包层的光纤进行了比较。
03
方法原理
1.理论模拟
作者使用了3D光线追踪法对各种形状内包层的光纤进行了模拟，使用的软件为ZMAX。首先，建立双包层光纤的模型，将纤芯表层材料设置为吸收体，将内包层表层材料设置为反射体。耦合到不同的包层形状的泵浦能量都是相同的，泵浦光仅限于内包层和外包层的洁面。为了简化模拟，将入射面分成100等份，每份入射10000条光线；所有的光线都以0-90度的入射角进入内包层，泵浦光的能量均匀分布在每一条光线上。光线在穿过纤芯被吸收之前独立传播。然后，将探测器设置在不同的位置以及路不同光纤长度的残留光线数量。
2.模拟数据分析
图为对多种内包层形状星星的光线追踪模拟的示意图，图中的线为模拟的光线。各种形状的截面积和纤芯直径都相同。从光线的分布可以看出圆形的内包层拥有最多的涡旋光。
图2 多种内包层形状的光线追踪模拟
a为圆形，b为正方形，c为D形，d为六边形
模拟的吸收效率如图3所示。纤芯的直径为20微米，内包层的直径为400微米。依据模拟的结果，六边形的内包层的吸收效率最高。当纤维长度达到250mm时，其吸收效率已经达到了最高的93.1%。这相较于圆形的内包层油了显著的提升。图3还展示了根据模拟结果得到的，多边形边的数量与吸收效率的关系。
图3 a为多种多边形的吸收效率与光纤长度的关系，
b为多边形边的数量与吸收效率的关系
3.实验
3.1光纤的制备
通过常规的熔融淬灭法制备了GeGaSbS玻璃。生料在800摄氏度被融化，并旋转了12小时。在空气淬冷之后，放入260度的炉中退火12小时。将直径为9mm并掺杂了500ppmEr3+离子的纤芯预制棒和直径26mm内包层的预制块以及直径46mm的外包层预制块组装并挤压成型。工艺的示意图为图4。
图4 为拉制工艺示意图
a为将原料堆叠，b为将纤芯和内包层挤压进入外包层
c为挤压形成六边形内包层，d为预制棒的截面
e为所使用的玻璃的实物图，f为所制备的预制棒的实物图
之后将得到的6cm长的预制棒悬挂于拉纤塔顶部，加热到470摄氏度并拉制成光纤。3.2光学测量
为了在室温下测量所制得的光纤的光学性能，作者使用Nicolet 380型傅立叶红外光谱仪测量了所制得光纤的传播广谱，测试范围是2.5-25微米。并通过红外椭圆偏振光谱仪测量了纤芯及包层的折射率。还使用截短法在1550nm的激光照射下测量了光纤的功率。图5为测量吸收效率所用的设备的示意图。大致方法为在截短之前测量末端的功率微Pout在截短之后测量末端的功率为Pin，之后由电脑记录数据。光场强度分布通过近红外光纤场分析仪测试得到。入射功率为5mW，波长为1.55微米。
图5 测量光纤功率所用仪器示意图
04
图文结果
1.传播光谱与折射率
如图6所示，光纤的纤芯在2.9和4.1微米出油明显的吸收峰，分别对应-OH和S-H键杂质的吸收峰。在8微米之后，由于S-S键的多声子吸收，透过率逐渐下降。同样也可以看出光纤的折射率满足纤芯最高，内包层次之，外包层最低以产生全反射的要求。
图5 光纤传播光谱（左）以及折射率（右）
2. 光场密度分布以及功率
如图6所示，10cm长的两种光纤的光场密度分布如下。横坐标为光纤截面的相对位置，纵坐标为归一化后的光场密度。泵浦光被限制在了内包层之中。内包层中的光场密度高于纤芯高于外包层。这主要是由纤芯材料的吸收和散射导致。对比两种光纤的光场密度分布可以看出六边形内包层的光纤纤芯中的光场强度显著低于圆形内包层光纤纤芯中的光场强度。这意味着六边形内包层的光纤的吸收效率高于圆形内包层光纤。与此同时计算了测的的Pin/Pout值，并制成下图。图中显示六边形内包策光光纤的Pin/Pout值远低于圆形内包层光纤。这近一步证明了六边形内包层光纤拥有更高的吸收效率。
图6 光场密度分布（左）以及功率（右）
05
论文总结
本文开创性地将光纤的内包层从圆形换成了六边形，并进行了相关的理论模拟以及实验验证。最终得到了符合理论预期的结果。
文章链接：https://opg.optica.org/ome/fulltext.cfm?uri=ome-12-2-436&id=467919
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