用于產(chǎn)生超寬帶中紅外超連續(xù)譜的光纖及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種中紅外非線性光學(xué)材料，特別涉及一種用于產(chǎn)生超寬帶中紅外超連續(xù)譜的光纖及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]中紅外(MIR)超連續(xù)譜(SC)光源具有光譜寬、空間相干性好、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，在寬帶激光雷達(dá)、多波段光電對(duì)抗、光學(xué)測(cè)量、分子光譜學(xué)、生物醫(yī)學(xué)成像等領(lǐng)域都有著極其重要的應(yīng)用。傳統(tǒng)的寬帶MIR光源主要包括熱棒(glowbar)和同步福射光源(synchrotronsource)。后者在 I ?10 μ m 波段可產(chǎn) 1016_17photons/s/mm2/sr/0.1 % bandwith 的亮度，比前者高2?3個(gè)數(shù)量級(jí)。目前，高信噪比和高空間分辨率的MIR光譜檢測(cè)僅能使用亮度較高的同步輻射光源，嚴(yán)重限制了普通環(huán)境下MIR光譜技術(shù)的應(yīng)用。最近，新型量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的發(fā)展極大提高了 MIR波段光源的亮度。典型的QCL可以產(chǎn)生4x 1023photons/s/mmVsr/cnT1的亮度，比同步輻射光源高5個(gè)數(shù)量級(jí)以上。然而，單個(gè)QCL的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍較小，為了覆蓋較寬的光譜范圍，需將多個(gè)QCL進(jìn)行組合，這導(dǎo)致光源非常復(fù)雜且成本極高，并且目前QCL很難獲得3.2 ym以下波長(zhǎng)。相比而言，SC MIR光源可提供無間斷寬帶光譜覆蓋，亮度通常比同步輻射光源高2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
[0003]近年來，多國(guó)科研單位投入大量資金和人力開發(fā)高非線性MIR光纖，并利用它們作為非線性介質(zhì)獲得寬帶MIR SC光源，取得了顯著進(jìn)步。2008年，美國(guó)塔夫斯大學(xué)和英國(guó)巴斯大學(xué)使用1.55 μπι的10fs脈沖泵浦8mm長(zhǎng)的高非線性碲酸鹽光子晶體光纖，產(chǎn)生了0.79?4.87 μπι SC。然而，在碲酸鹽中很難將SC深入到長(zhǎng)波中紅外區(qū)域，因?yàn)樗募t外截止波長(zhǎng)〈6 μπι。2009年，日本豐田工業(yè)大學(xué)利用1.45 μπι飛秒激光泵浦I厘米長(zhǎng)氟化物光纖，產(chǎn)生了 0.35?6.28 μ m SC，這是目前為止氟化物光纖中報(bào)道的最寬的MIR SC。2012年底，國(guó)防科技大學(xué)采用1.958 μm納秒激光器泵浦ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)光纖，獲得了平均功率1.2W的1.8?4.3 μπι SC，這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)瓦級(jí)全光纖MIR SC光源。2014年，北京工業(yè)大學(xué)采用2 ym納秒激光器泵浦ZBLAN光纖獲得了 16.2W的1.9?3.5 μ m超連續(xù)譜光源，這是在氟化物光纖中報(bào)道的亮度最高的MIR SC。由于氟化物光纖在長(zhǎng)波中紅外損耗很高，光纖中SC無法向更長(zhǎng)波長(zhǎng)展寬。此外，氟化物光纖本身的非線性很低，意味著SC產(chǎn)生需要很高的泵浦功率，這是限制該材料產(chǎn)生高亮度超連續(xù)譜的主要缺點(diǎn)。
[0004]由于碲酸鹽和氟化物玻璃材料的紅外截止波長(zhǎng)較短，它們均無法產(chǎn)生>7 μπι的SC。硫系材料、鹵化銀和鍺是目前主要的具有優(yōu)異長(zhǎng)波中紅外透射性能的材料。其中硫系玻璃(包括硫化物、砸化物和碲化物玻璃)在非晶材料中具有最高的非線性，三階非線性系數(shù)比石英高2?3個(gè)數(shù)量級(jí)。硫化物、砸化物和碲化物玻璃的紅外透射范圍分別為0.6?10 μ m、I?14 μ m和2?20 μ m，這使他們成為產(chǎn)生MIR SC的極佳材料。2011年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室用2.5 μπι超快激光泵浦階躍型單模As2S3光纖產(chǎn)生了 1.5?5 μπι超連續(xù)譜。2012年美國(guó)斯坦福大學(xué)和俄羅斯科學(xué)院光纖光學(xué)研宄中心用Er摻雜鎖模光纖激光器泵浦錐形As2S3硫系光纖產(chǎn)生了 2.2?5 μπι超連續(xù)譜。2014年，澳大利亞國(guó)立大學(xué)用光學(xué)參量放大器產(chǎn)生的4 μ m飛秒脈沖泵浦工程色散硫系波導(dǎo)獲得了 2?8 μ m超連續(xù)譜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)以現(xiàn)有光纖為非線性介質(zhì)很難獲得波長(zhǎng)展寬至8 μπι以上的MIR SC，本發(fā)明提供了一種可用于產(chǎn)生2?10 μπι超寬帶中紅外超連續(xù)譜的光纖及制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0007]一種用于產(chǎn)生超寬帶中紅外超連續(xù)譜的光纖，由纖芯和包層構(gòu)成，其中，光纖直徑160?400 μπι，纖芯直徑4?10 μπι ;纖芯材料為砸化物玻璃，其化學(xué)組成式為GexAsySe(1_x_y)，x = 0.1?0.15，y = 0.2?0.3 ;包層材料為硫化物玻璃，其化學(xué)組成式為GemAsnS(1_m_n) ? m = 0.1 ?0.15，η = 0.15 ?0.25。
[0008]上述用于產(chǎn)生超寬帶中紅外超連續(xù)譜的光纖的制備方法，采用二次棒管法，包括步驟:
[0009](I)將纖芯玻璃棒拉制成纖芯玻璃細(xì)棒，纖芯玻璃棒化學(xué)組成為GexAsySe(1_x_y)，x=0.1 ?0.15，y = 0.2 ?0.3 ;
[0010](2)將兩根包層玻璃棒分別沿中心軸鉆孔，獲得包層玻璃套管，包層玻璃棒化學(xué)組成為 GemAsnS(1_m_n)，m = 0.1 ?0.15，η = 0.15 ?0.25 ;
[0011](3)將纖芯玻璃細(xì)棒插入一包層玻璃套管并拉制成二次細(xì)棒；
[0012](4)將二次細(xì)棒插入另一包層玻璃套管，拉制成本發(fā)明光纖，所得光纖直徑160?400 μ m，其中纖芯直徑4?10 μ m。
[0013]作為優(yōu)選，步驟(2)中將包層玻璃套管內(nèi)壁拋光。
[0014]上述纖芯玻璃棒和包層玻璃棒采用常規(guī)的真空熔融-淬冷法制備。
[0015]本發(fā)明的有益效果如下:
[0016]以砸化物玻璃和硫化物玻璃分別作為光纖的纖芯材料和包層材料，在保證光纖具有寬的傳輸光譜范圍(覆蓋2?1ym光譜區(qū)域)的同時(shí)，還可形成較大的芯包折射率差，有利于通過減小光纖的芯徑調(diào)節(jié)光纖色散使零色散波長(zhǎng)向短波方向顯著位移，這樣就可以用緊湊型高重頻光學(xué)參量放大器產(chǎn)生的超短脈沖在反常色散區(qū)泵浦光纖，使脈沖極大展寬，最終獲得具有較高平均功率的超寬帶MIR SC。
[0017]本發(fā)明光纖的數(shù)值孔徑彡1.3，零色散波長(zhǎng)在3.2?4.0 μπι之間，非線性系數(shù)>50/W/km，傳輸光譜范圍覆蓋2?10 μ m，可作為高性能非線性介質(zhì)用于產(chǎn)生超寬帶中紅外超連續(xù)譜。
[0018]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0019]1、與碲酸鹽玻璃光纖和氟化物玻璃光纖相比，本發(fā)明光纖具有寬的傳輸光譜范圍和高的三階非線性系數(shù)，可產(chǎn)生覆蓋2?10 μπι的MIR SC，且產(chǎn)生SC所需的泵浦功率低；
[0020]2、與常用產(chǎn)生MIR SC的光子晶體光纖相比，本發(fā)明光纖的制備工