新趋势通过硫族化物光子晶体光纤放大器和来源

文摘

掺稀土硫化物玻璃光纤激光器和放大器在许多领域有巨大的应用潜力,因为他们是关键元素在不久的和中红外波长范围不仅(中)。本文回顾,即使不是很详尽,放大和激光通过采用掺稀土硫族化物光子晶体纤维。材料、设备和可行的应用不仅在中简要提及。

1。介绍

当前激光市场没有提供有效的来源不仅在大多数中频谱。特别是,强大的可用性不足,连贯的、健壮的、和小型激光器波长长于3微米来源构成的主要障碍不仅广泛发展中科学和技术。不仅在过去的几十年里,许多中激光源开发但他们显示转换效率低,有限光束质量;而且他们是复杂的,笨重,昂贵的1,2]。事实上,热的不利的温度依赖性和thermooptical参数设置限制的权力可伸缩性以来大热负荷会导致玻璃破裂,和强烈的热透镜效应可以促进明显球面像差(1,2]。

在过去的年里,持续的技术进步和创新激光材料,对制造精密的光学纤维和beam-shaped大功率二极管激光器有定位光纤技术最有前途的不仅为了发展新一代的中源(1,2]。紧凑的足迹大小、廉价和简单的维护,和更高的激光效率不仅使中光纤激光器对ICT的吸引力,工业和医疗应用程序。

石英光纤激光器已被证明是有效的和紧凑的近红外线波长范围的来源,但它们不是不仅能够提供中波长,因为他们的高声子能量和有限的透明度超过2的波长μm。各种watt-level掺稀土ZBLAN光纤激光器,振动光谱范围约2.7微米的CW模式,开发了(1,3]。最近,最高的单模输出功率约为20 W已获得的掺杂氟化物玻璃光纤激光器发射为2.8μ米(4]。特别是,被动冷却设置,976纳米泵源,截断循环泵包层了。此外,斜率效率高于斯托克斯效率。这是实验确认泵的能量回收的光纤激光器。何^{3 +}再版ZBLAN纤维能够摆动在2.9微米,但它的一个重大缺点是缺乏基态吸收重叠与传统大功率泵源(5]。因此,何鸿燊的敏化作用^{3 +}与Yb^{3 +}或公关^{3 +}一直为了实现访问方便吸收带,实现更高的输出功率没有一个中间的成本要求激光系统(6- - - - - -8]。Dy^{3 +}再版ZBLAN光纤激光器也可以在2.9微米的振荡,但他们的输出功率和斜率效率很低(9]。激光手术的3.22,3.45,和3.95微米掺杂ZBLAN已经获得纤维钬和铒,但是越来越泵的阈值和一些饱和输出功率的观察(10- - - - - -13]。这个问题结合使用非传统的泵源已经阻止了这些系统的充分利用。因此,很明显,光纤激光器技术基于氧化物和氟眼镜只是用于激光转换到3微米。

的进步对掺稀土光纤基于硫卤玻璃制造极大地推动进展活跃设备操作在波长大于3微米(14- - - - - -18]。硫族化物眼镜是化学和机械耐用,低毒性,具有相当大的glass-forming区域,可以制成低损耗光纤。此外,他们的高折射率()和低声子能量(厘米⁻¹)导致更大的辐射衰减率、高辐射的吸收和发射截面电子转换,和较低的非辐射的multiphonon放松利率。这些属性导致高量子效率(14]。稀土离子的电子能级允许很多有用的转变从2到12微米。然而,只有少数玻璃主机可以有效地激活长波长的转换。硫族化物的低声子能量的眼镜使一个有效的激光密集电子能级之间的跃迁允许许多红外转换。作为一个例子,硫族化物眼镜成为可能的辐射跃迁来铒能量水平,淬火multiphonon衰变的二氧化硅眼镜,和从来氟化,淬火眼镜。此外,稀土高溶解度成几个硫族化物眼镜促进高效的制造掺稀土离子激光器和放大器自集群和浓度猝灭效应最小化。

硫族化物眼镜被用来制造传统光纤不仅掺杂稀土离子的数量中发光(14,15]。不幸的是,这项技术用于制造低损耗单模硫族化物纤维突变型配置需要大量的护理和专业知识。事实上,不同物理性质的核心和包层眼镜促进结晶,泡沫,污染核心/包层界面,和核心椭圆率。此外,很难制造突变型纤维有非常小的和非常大的模式,因为精细控制的核心和包层的折射率不能获得。为了克服这些问题,使用光子晶体光纤(PCF)技术是一种可行的和有吸引力的解决方案。事实上,它消除了引起问题的核心/包层界面自单一材料使用。此外,single-heating步骤用于制造pcf允许结晶问题的减少和纤维损失。最后,硫族化物的高折射率玻璃可以更好的约束的光通过使用只有几环的空气孔(19,20.]。第一个硫族化物PCF的只有一个环的空气孔在[20.]。最近,在Ga的进展₅通用电气_20.某人₁₀年代_65年(2 s2g)纤维制造使用中所描绘的“堆栈和画”过程来构建复杂的和定期的pcf几环孔(19]。小芯pcf的硫族化物玻璃2 s2g单模操作取得了高于1550 nm波长(21]。此外,制造、线性和非线性光学特性,数值模拟中红外的pcf在不同类型的硫化物玻璃已经提出了16,17,19]。

2。硫族化物Midinfrared放大的光子晶体光纤

许多不同的稀土元素,比如,铒镱、镨、钕、钐、铥、可用于制造纤维放大器操作在不同的波长。特别是,掺铒光纤放大器(edfa)如今可用于长途通信系统,允许放弃使用光电和电光转换的信号。这些设备是很有吸引力的,因为他们的高增益,宽光学带宽、高输出饱和,quantum-limited附近噪音,低插入损耗、高可靠性和密实度,偏振独立性,免疫力saturation-induced和相声,可能选择泵980 nm和1480 nm波长的激光二极管。

尽管这种技术是成熟和广泛应用,还需要进一步的研究来获得较高的放大器增益效率。纤维横截面的优化对提高放大器的性能至关重要的增益,噪声,输出功率特性以及设备密实度和泵的能耗。事实上,在掺稀土设备,光纤几何强烈影响泵的强度、泵的重叠,信号传播模式与掺杂的核心。作为一个结果,它可以导致压制的放大自发辐射(ASE),稀土离子的比例和最大反演以及纤维长度的减少。

先进的设计方法和制造技术已经开发建设单模光纤放大器。这一目标,精细控制芯和包层的折射率剖面以及需要更多的纤维截面的设计灵活性。传统光纤无法完全应对这些需求,而PCF技术似乎是一个有吸引力的解决方案。PCF通常表现为一个横向晶格(通常是定期安排)包含空气孔或玻璃链沿纤维轴运行。因此,这些纤维与传统的不同,主要区别是芯和包层折射率剖面的地区。pcf的独特属性是为各种掺稀土光纤和设备极具吸引力,因为他们允许更大的灵活性来控制泵和信号的交互模式与掺稀土的主机。此外,堆垛过程用于制造这样的纤维提供了准确的可能性限制稀土掺杂剂在中部地区的泵和信号强度的峰值出现的纤维(15,22,23]。

除了实芯PCF,通常利用光学放大和非线性应用程序,并用photonic-bandgap-chalcogenide纤维不仅为高功率中激光传输和功率输出已经成功地制造(15,24]。作为一个例子,图1显示了两个原型由海军研究实验室,华盛顿,美国15),制造纤维(a)的能带结构和(b) PCF结构。此外,两包层结构的优化过程和核心大小获得整体低于材料的损失,实现空气的有六个环的空气孔,和实验结果的比较,说明模拟(23]。

著名的PCF的技术,允许无尽单模传播和群速度控制,通过适当的设计,展品进一步有趣的潜力耦合broad-bandwidth传播,典型的硫族化物眼镜。此外,不仅高量子效率的中转换使掺稀土硫族化物纤维有吸引力的替代获得黑体来源生成3 - 5的排放μ波长范围。

作为一个例子,图2显示了一个二极管抽运再版硒化玻璃纤维来源,说明宽带发射波长范围3 - 5μ米(15]。

的基础上制作的光学和光谱参数测量再版实芯硫族化物pcf,活跃的设计设备附近和中红外波长范围已经数值执行(25- - - - - -27]。的可行性再版2 s2g硫化物玻璃已经证明为了获得高性能光纤放大器在光纤通信的第三个乐队25]。特别是,增益和噪声指数表现评估通过改变等众多参数掺杂区域半径,铒浓度,信号波长,输入泵和信号功率。图3(一个)显示的图像捏造PCF在模拟中考虑。数据3 (b)- - - - - -3 (d)显示最优增益的依赖,最优长度,图的函数和噪声信号波长的三种不同的输入泵的权力。铒浓度的变化的影响,掺杂区域的半径和激发态吸收(ESA)泵波长放大器特性调查,。特别是,优化PCF的计算光增益放大器,长2.79米,接近23 1.538 dB的信号波长μm,通过使用一个泵功率200兆瓦和信号功率为0.1μw .这个结果表明,该光纤放大器可以是一个不错的候选人在光学通信网络和系统。因此,通过考虑(i)高折射率和硫化玻璃低声子能量的增加稀土能级之间的转换效率;(2)优秀的稀土溶解硫族化物玻璃允许高掺杂剂浓度,没有离子集群和浓度猝灭效应,光纤放大器基于硫族化物眼镜,操作为1.5μm,表现出更高的泵转换效率和短纤维长度比基于硅酸眼镜。

此外,关于脉冲传播的仿真结果掺杂,₅通用电气_20.某人₁₀年代_65年硫族化物玻璃放大器已报告在最近的一份工作(28]。作者研究了增益饱和效应基本暗孤子的传播和验证的暗孤子是更稳定的增益饱和和增益色散效应的存在。特别是,他们表明,(我)亮孤子能量小于饱和能量分为许多次脉冲时间对称,(ii)亮孤子能量接近饱和能量分为许多次脉冲没有时间对称性,和(3)暗孤子在缺乏的增益饱和放大不创建任何次脉冲。这些属性成为可能的使用硫族化物眼镜设计所有光学设备。

最近,一个详细的光谱研究掺杂2 s2g玻璃已经说明(27]。这种掺杂玻璃(i)促进光纤画,因为它提供了合适的形变场特性,(2)提供了一个更好的溶解,因为它包含镓,(iii)使高效(2.7μ米)和(4.5μ不仅m)中转换。的辐射寿命⁴F_9/2,⁴我_9/2,⁴我₁₁,⁴我_13/2能量水平和相关分支比率确定。Er的估计^{3 +}不仅发射截面的中光谱范围为2.8510⁻²⁵米²在4.6μm。⁴我_9/2辐射量子效率约为64%。2.7荧光信号的传播μ米,第一次约4.6μm显然是观察到两个2 g2纤维掺铒离子在804 nm激光抽运下。在图4报告(a)近红外线的荧光强度不仅和(b)中发射波长804纳米的激光抽运的乐队1000 ppm吗掺杂2 s2g玻璃。

设计和改进标准有关硫族化物掺铒PCF放大器基于2 s2g玻璃,允许操作为4.5μ米,见(26]。光谱吸收截面采用仿真实验测量。的荧光光谱离子大约4.5实验记录10000 ppm-doped硫族化物玻璃的发射截面然后计算Fuchtbauer-Ladenburg关系转变。高增益PCF放大器增益值接近30 dB,低价值的噪声指数和减少纤维长度理论上已经证明。一个好的放大范围4.4 - -4.7μm是计算;因此,放大器,巧优化,可以用于多通道放大应用。这些理论和实验结果表明2的适用性和善良s2g硫化物玻璃作为一个有吸引力的候选人不仅构建光纤放大器的操作中光谱区域。

绘图硫族化物纤维的技术改进是一个重要的研究目标自软眼镜展览一些缺陷对传统材料如硅或氟眼镜。作为一个例子,硫系玻璃的新路线微结构光纤(mof)见(29日]。工作了一个灵活的技术潜力巨大的新纤维设备从far-visible midinfrared。该方法既可扩展性和适应性。特别是,一个₄₀Se₆₀玻璃管的直径3.8 mm / 10毫米内/外径是旋转。到这个管是堆叠八纤维:一个Se纤维是位于核心集中获取;七个通用电气为Se Se core-cladding (core-clad)堆放在核心纤维纤维。上述core-clad纤维来自复合挤压的粗加工的准备。微观结构的预成型了财政部。

小说的细化技术路线,甚至在其他应用领域的开发,例如非线性光学中,也可以找到应用程序领域的激光\放大。在[30.)作者提出了一个详细的设计高度非线性的硫族化物核心碲酸盐包覆复合微结构光纤。微结构光纤的制造流程说明。应用非线性现象被意味着supercontinuum一代实验证明。非线性光学的应用激光拉曼放大的情况下明显。硫卤玻璃拉曼光纤激光器的运行报告(31日]。在上述工作中,为了减轻和减少杂质吸收光诱导的影响,一个2051纳米再版石英光纤激光器采用的泵源。首先斯托克斯排放在2062 nm, 0.64 W的输出功率和斜率效率的~66%。第二斯托克斯输出在2074纳米纤维长度时产生扩展。

3所示。硫族化物光子晶体光纤Midinfrared来源

在医学和外科应用程序输出激光功率和波长等属性识别的重要方面。除了这些,等实际数量大小,维护级别,输入功率需求基本特性考虑激光在医学界的广泛使用。此外,其他激光光束质量等特点可能是重要的应用程序要求精确和有效的消融软硬生物材料(32- - - - - -34]。

最近的技术进步发展的激光材料、精密光学纤维的制造,制造的beam-shaped大功率二极管激光器定位红外光纤激光器作为生物科学和医学中最有前途的技术之一。在手术:心脏病不流血的操作,在腹部和胸腔器官,颅骨和脑微创手术,角膜手术。诊断:内窥镜调查,共焦扫描显微镜和光学相干断层扫描。治疗:治疗癌症的,蜘蛛静脉和血管功能障碍。在化妆品和美容医学:平滑皱纹,皮肤又卷土重来了,和漂白的纹身35]。因此,由于其固有的物理原理和设计的灵活性,光纤激光器有巨大潜力带来新的机会biophotonics和生物科学。

一般来说,许多医疗应用程序需要midinfrared波长范围内μm。特别是,激光发射的2 - 3μm范围了,近年来,强烈关注精确切割、焊接、删除和凝结的软、硬生物组织。不仅此外,中激光是一种很有前途的技术研究生物分子,因为大多数的不仅有特定的吸收中波长范围,和光子的能量是一个数量级低于紫外线激光。不仅重大努力已经完成开发中光纤激光器和放大器,但制造纤维的高成本足够低的损失在这些波长范围已经放缓了在这一领域的研究工作。这可能是由于缺乏主体材料有广泛的光学透明性、良好的绘图能力,低声子能量的玻璃矩阵,稀土溶解性好,适合环境耐用性和机械性能。

的进步对掺稀土光纤基于硫卤玻璃发展不仅极大地推动进展中激光设备。特别是,好的midinfrared透明度允许他们扫描整个光谱范围的生物分子和硫化物玻璃耐化学腐蚀导致良好的生物相容性与生物组件。

一种新型的可行性掺杂硫族化物PCF激光器、操作为4.5μ米,(36]。为了提高泵效率,创新的理论研究级联激光器源在4.5米和2.7操作μm是由使用铒离子浓度离子/ m³。铒浓度和纤维长度进行了优化提供最大化的输出功率为两个波长的信号。特别是,数值结果表明,激光的特点是一个斜率效率接近最大理论,低阈值泵浦功率,短纤维的长度,宽可调谐性不仅在中波长范围。总之,理论和实验结果证明了适用性的2 s2g硫族化物玻璃作为一个非常有吸引力的候选人不仅结构光纤激光器和放大器操作来源中光谱区域。此外,小说的可行性掺杂2 s2g硫族化物光纤激光器,泵浦波长806 nm,设计为了获得高性能的波长4.5μ米,是研究[37]。特别是发达数值代码考虑铒能级寿命,发射和吸收截面测量在10000 ppm掺杂2 s2g初步样品。巨大的潜在的硫卤玻璃还强调了在审查工作38),简要说明了光纤激光器的配置比竞争技术提供了更好的光束质量,例如,比量子级联激光器和transition-metal-doped硒化物和更多功能脉冲操作。

连续波Dy的性能:GeAsGaSe硫族化物玻璃光纤激光器,在级联配置中,在4.2 - -4.7 m,通过数值模拟研究了在39]。泵1710纳米的光耦合到Dy: GeAsGaSe硫族化物玻璃纤维。Dy离子被提升为水平⁶H₁₁。荧光的水平⁶H₁₁水平⁶H_13/24000和4800 nm之间发生是利用获得激光通过两个光纤布拉格光栅。此外,其他荧光水平⁶H_13/2基态发生在2700和3400海里,同时激光被认为是通过使用两个额外的布拉格光纤光栅,目的是提高4600海里排放。图5说明了输出功率输入泵浦功率和光纤长度m和传播损耗1 dB / m的波长。插图强调,斜率效率强烈可以强烈增加当惰达到0.2 W。

更好的理解当地的RE-ion环境,消除不必要的非辐射的衰减将允许提高硫族化物激光性能。也更好的理解影响主机硫化物玻璃原生缺陷的掺杂RE-ion荧光可以获得更高效的一个关键元素硫族化物激光。

众所周知,软眼镜亚碲酸盐,bismuth-oxide-based眼镜,和硫族化物眼镜内在非线性从10到100倍比石英玻璃(39]。此外,硫化物玻璃纤维的拉曼增益系数很高,比硅纤维~ 300倍,布里渊增益系数大于2数量级高于石英纤维。他们表现出线性吸收低、双光子吸收,和快速的响应时间,因为没有自由载流子效应(30.]。因此,光纤制成的这种眼镜,特别是硫族化物眼镜,不仅是高度适用于生成中非线性现象,短活性纤维设备和实现光纤喇曼和布里渊激光器(30.,40- - - - - -43]。

四波混频等非线性光学过程参数振荡和supercontinuum生成需要高非线性和零或低群速度色散的应用有效的低功耗,短的长度纤维设备。此外,群速度色散是由于材料和波导色散。一般,因为高折射率、色散的硫族化物眼镜主要源自材料色散和零色散波长位于红外区域,长波长相比,硅和远离传统光纤泵激光的波长。因此,使用nonsilica纤维开发supercontinuum来源不仅拥有一个高效的光谱展宽到中通常需要昂贵和大功率泵激光。光子晶体光纤技术似乎是一个潜在的解决这些缺点从微观结构在横向平面的设计灵活性可以帮助优化色散,色散斜率,相对色散斜率,和零色散波长不能通过使用传统的纤维。事实上,孔的数量,他们的大小、形状、方向、位置,以及大部分介电材料的性质和夹杂物的折射率可以提供一些可能的变化使波导色散特性的精细控制。通过这种方式,零色散波长可调谐低于2μ米便宜二极管抽运固体激光器的商用。最近,midinfrared扩展supercontinuum的实验证明了使用悬浮硫族化物纤维(核心44]。特别是,它表明,通过使用一个低成本光quasi-CW源为1.53μ米,可以延长硅基supercontinuum超出2.4μm到孤子气体的生成在一个高度非线性的石英光纤及其注入除了ZDW 50厘米的硫族化物芯PCF暂停。高度非线性的硫族化物核心碲酸盐包覆复合微结构光纤一直精心设计和制作为了实现zero-flattened色散为零色散曲线的斜率为1.55μ米(30.]。特别是,制造光纤的非线性系数是9.3米⁻¹W⁻¹在1.55μm。此外,20 dB supercontinuum频谱带宽覆盖0.80 - -2.40μ生成的纤维。

4所示。结论

的进展和挑战,制作掺稀土硫化物玻璃纤维开发midinfrared光纤放大器和激光器,已审核。潜在的应用midinfrared光纤激光器已被召回。特别是,生物医学和遥感将强烈支持这些设备。新的通信和遥感系统操作未开拓的大气中波长窗口可能成为可行。进一步的努力在技术和玻璃纯度将允许获得更高效的放大和激光对市场和制造可靠的设备。

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