Tm3+/Ho3+ profilierte Co - Hengyang Laser Welder Group Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 13963 (2023) Diesen Artikel zitieren

194 Zugriffe

Details zu den Metriken

Vorgestellt wird eine doppelt ummantelte optische Faser mit einem Mehrring-Kernprofil, dotiert mit Thulium und Holmium, hergestellt durch die modifizierte chemische Gasphasenabscheidungs-Chelat-Dotierungstechnologie (MCVD-CDT). Die Gewichtskonzentrationen der gemessenen Tm2O3- und Ho2O3-Komplexe betrugen 0,5 % bzw. 0,2 %. Numerische Analysen zeigen schwache Leitbedingungen und 42,2 µm MFD LP01 bei 2000 nm. Die numerische Apertur mit niedriger NA (NA = 0,054) wurde für die optische Faserkonstruktion mit einem Kern/Mantel-Verhältnis von 20/250 µm erhalten. Dargestellt sind die Emissionsspektren im Bereich von 1,6–2,1 µm in Abhängigkeit von der Faserlänge. Die Halbwertsbreite (FWHM) nimmt bei Faserlängen von 2 bis 10 m von 318 auf 270 nm ab. Das vorgestellte Faserdesign ist für die Entwicklung neuer Konstruktionen optischer Fasern im augensicheren Spektralbereich von Interesse.

Derzeit sind schnelle Fortschritte im Bereich optischer Strahlungsquellen auf Basis faseroptischer Strukturen zu beobachten. Bekannte davon sind Faserlaser und Amplified Spontaneous Emission (ASE)-Quellen. Unter den verschiedenen Spektralbereichen optischer Strahlung ist der augensichere Bereich (über 1,4 µm) für zahlreiche Anwendungen in der Medizin, Meteorologie, dem Militär, der Fertigung und in Detektionssystemen besonders attraktiv1,2,3,4,5,6,7. Die im Spektralbereich von 1,7–2,1 µm arbeitenden Laser werden in der präzisen Materialbearbeitung (einschließlich Schneiden, Bohren, Gravieren und Oberflächenmodifikation), medizinischen Anwendungen (Chirurgie), Fernerkundung (Atmosphärenüberwachung), LIDAR (Luftkartierung) eingesetzt. Forschung und Entwicklung (Spektroskopie, nichtlineare Optik und Quantenoptik)8,9,10,11,12,13,14,15,16. Breitband-ASE-Quellen, die im Nahinfrarot (NIR) arbeiten, werden häufig für die Bildgebung und Spektroskopie der optischen Kohärenztomographie (OCT) verwendet17. Die Erzeugung von Strahlung in der Struktur von Lichtwellenleitern entsteht durch die Emission von Strahlung durch Ionen seltener Erdelemente. Für den besprochenen Spektralbereich sind dies üblicherweise Tm3+- und Ho3+-Ionen. Sie ermöglichen die Erzielung eines breiten Emissionsprofils im Bereich von 1,7–2,1 µm (7.21). Darüber hinaus ist es möglich, das Emissionsprofil durch den Einsatz von Phänomenen wie Koemission, Energieübertragung und Kreuzrelaxation zu verändern18. Manchmal wird auch eine Dotierung mit Yb3+-Ionen verwendet, die als Sensibilisator wirkt und den Einsatz gängiger Laserdioden im 980-nm-Bereich zur Anregung von Holmium ermöglicht. Die Übergänge von Tm3 + : 3F4 → 3H6 (ca. 1,8 µm) und Ho3 + : 5I7 → 5I8 (ca. 2,0 µm) sind für die Emission im untersuchten Spektralbereich verantwortlich. Typischerweise werden im mit Tm3 + -Ho3 + dotierten System die Ho3 + -Ionen durch Energieübertragung von Tm3 + (außer bei 800 nm) oder Yb3 + (außer bei 980 nm) Sensibilisatoren angeregt19,20,21,22 . Ein interessanter Forschungsaspekt sind optische Fasern mit seitlicher Emission und solche, bei denen Strahlung mithilfe von Up-Conversion-Phänomenen erzeugt wird. Dies ermöglicht die Emission eines kürzeren Wellenlängenspektrums als die Anregungsstrahlung unter Verwendung des Multiphotonen-Absorptionsmechanismus23,24. Die häufig verwendete Technologie zur Herstellung aktiver (mit Lanthanoidionen dotierter) optischer Fasern ist die modifizierte chemische Gasphasenabscheidung (MCVD) mit Lösungsdotierungstechnik (SDT) und Chelatdotierungstechnologie (CDT) 28. Tatsächlich gibt es einige Herausforderungen und Einschränkungen von SDT (Dotierstoff). Verteilungsstabilität, kleiner Kerndurchmesser und mehrstufiger Prozess der Preform-Herstellung) führen dazu, dass die CDT-Technologie derzeit intensiv für die Herstellung aktiver Fasern weiterentwickelt wird. MCVD-CDT ermöglicht die Herstellung von Vorformlingen mit großem Kerndurchmesser bei besserer Kontrolle der Prozessparameter und hoher Wiederholgenauigkeit25,26,27,28. Die Entwicklung neuer Singlemode- und Hochleistungs-Breitbandquellen ist für Industrie und wissenschaftliche Forschung nach wie vor sehr attraktiv. Unter den Glasfaserkonstruktionen erregen zweifellos die Singlemode-Fasern mit großem Modenbereich (Large Mode Area-Fasern) die größte Aufmerksamkeit29,30,31. Ihre Ausbreitungseigenschaften (geringere optische Leistungsdichte, Verringerung des Photodarkening-Effekts und wohldefinierte Strahlform mit einem breiten Modenfeld). Der entscheidende Parameter ist die Modenfeldbreite in solchen Fasern (Mode Field Diameter, MFD), die im Gegensatz zu klassischen Faserdesigns deutlich größer ist und dazu führt, dass die effektive Modenfläche sogar 100-mal größer sein kann (bis zu 1000 µm2). ) für LMA-Fasern32,33,34,35. Kommerzielle LMA-Fasern haben eine Modenfeldbreite von 22,4 µm (LMA-TDF-25P/250-HE, Nufern) bzw. 21,5 µm (LMA-YDF-30/250-HI-M+, Coherent). Die Ergebnisse der wissenschaftlichen Forschung weisen auch auf die Möglichkeit hin, ein breites Modenfeld (MFD = 35 µm) für LMA-Fasern mit einer kleinen numerischen Apertur NA = 0,028139 zu erhalten. Ein wichtiger Forschungsaspekt ist daher die Entwicklung neuer aktiver LMA-Lichtwellenleiter mit möglichst großem Modalfeld. Ein solches Profil kann durch eine mehrringige Gestaltung des Brechungsprofils erhalten werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Art der räumlichen Verteilung des Dotierstoffs eine Optimierung des Lumineszenzprofils durch die Phänomene der Co-Emission und des Energietransfers von Seltenerdelementen36,37,38,39,40,41,42,43. Im beschriebenen Fall wurden hierfür alternierende Schichten aus Multiring Tm3 + /Tm3 + Ho3 + verwendet. Ziel war es, eine Faser mit einem breiten Modenfeld und einem flachen Breitbandemissionsprofil zu erhalten, das durch die Strahlungserzeugung (Tm3 + /Tm3 + Ho3 +) in der Struktur der entwickelten Faser entsteht. Die niedrige numerische Apertur (niedriges ∆n) im Aufbau des Faserkerns mit mehreren aktiven Schichten sorgt für eine schwache Führung des Grundmodus im großen Kern (LMA). Die Zusammensetzung der Tm3+- und Tm3+Ho3+-Schichten wurde verwendet, um ein breitbandiges und glattes flaches Profil des Spektrums in der hergestellten Faser zu erhalten.

Die numerische Analyse der optischen Eigenschaften für das vorgeschlagene optische Faserdesign wurde mit dem Modenlöser der RP Fiber Power-Software durchgeführt. Zusätzlich wurden die spektralen Eigenschaften (ASE-Vorwärts- und Rückwärtsformung) in Abhängigkeit von der Faserlänge simuliert. Der effektive Index, die Anzahl der Moden, der Leistungsanteil im Kern und das Profil des Lumineszenzspektrums wurden für die Übertragung im stationären Zustand untersucht. Die Simulationen verwendeten den gemessenen Brechungsindex und das Konzentrationsprofil der Dotierstoffe für die Faser. Die Berechnungen und Analysen wurden im Bereich von 1400–2000 nm durchgeführt. Der Modenfelddurchmesser wurde nach dem Reduktionsfaktor 1/e bestimmt. Die vorgeschlagene neuartige Mehrringstruktur des Brechungsindex- und Dotierstoffverteilungsprofils erfordert einen mehrstufigen Abscheidungsprozess. Die MCVD-CDT-Technologie ist eine zuverlässige und effiziente Möglichkeit, optische Fasern mit großem Kerndurchmesser herzustellen. Es ist bekannt, dass der Einbau einer hohen Konzentration an Lanthaniden in den Siliciumdioxidwirt aufgrund der Löslichkeit und Wirtsmodifikation begrenzt ist. Phasentrennung ist eine häufige Herausforderung beim Bau von Hochkonzentrationslasern. Es ist bekannt, dass die Löslichkeit von Seltenerdionen durch die Einführung von Modifikatoren (Aluminium und/oder Phosphor) erhöht werden kann, es ist jedoch mit einem Anstieg des Brechungsindex Delta (∆n) im Profil zu rechnen. Während die LMA-Fasern einen relativ niedrigen Brechungsindex Delta erfordern. Andererseits hängt die Intensität der Lumineszenz von der Konzentration der Dotierstoffe ab. Als Kompromiss haben wir uns für die Herstellung einer optischen Faser mit mehreren Ringkernen und einer geringen Aluminiumoxidkonzentration entschieden. Die Vorform wurde an der Technischen Universität Bialystok unter Verwendung des Optacore Modified Chemical Vapour Deposition Chelate Doping Technology (MCVD-CDT)-Systems hergestellt. Tm(tmhd)3- und Ho(tmhd)3,-Komplexe wurden als Lanthanoid-Vorläufer mit einem Helium-Trägergas verwendet. Die Sauerstoffleitungen wurden für die Zufuhr von Siliziumtetrachlorid zum hochreinen Herause F300-Rohr (28/24 mm Außen-/Innendurchmesser) verwendet. Das geschlossene Temperaturkontrollsystem mit einem Pyrometer (Brennertyp) und Massendurchflussreglern wurde für die Abscheidungsraten und die Kontrolle der heißen Zone verwendet. Die Brechungsindexprofile wurden mit dem Preform-Analysator P104 (632,8 nm) gemessen. Die entworfene Doppelmantelstruktur aus optischen Fasern (Kern-Mantel-Verhältnis 20/250 µm) erforderte einen zusätzlichen Streck- und Mantelprozess mit dem MCVD-System. Die äußere Ummantelung wurde während des Ziehprozesses hergestellt (UV-gehärtete Polymerummantelung n = 1,375). Dieser Prozess wurde unter Verwendung eines Control Interface-Ziehturms (Centorr-Ofen bei 2050 °C) durchgeführt. Die Lumineszenzspektren der Vorform und der Fasern (OSA) wurden mit einer Laserdiode 796 nm (CW, geregelt im Bereich 1–30 W) und einem optischen Spektrumanalysator (1,6–2,1 µm) Yokogawa AQ6375B gemessen. Die Konzentration von Lanthaniden und glasbildenden Elementen im Querschnitt optischer Vorformen wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop gemessen, das mit einem EDS-Detektor (EDAX) ausgestattet war. Die JEOL SuperProbe JXA-8230 wurde mit einer Spannung von 15 kV, einem Strahlstrom von 20 nA und einer Auflösung < 1 µm verwendet. Die Abklingzeit wurde für den Vorformschlitten (2 mm Dicke) zur Anregung des gesamten Bereichs des Faserkerns gemessen. Abklingzeitmessungen von Tm3+- und Ho3+-Ionen wurden mit dem PTI QuantaMaster QM40-System durchgeführt, gekoppelt mit einem abstimmbaren gepulsten optischen parametrischen Oszillator (OPO), der von einer dritten Harmonischen eines Nd:YAG-Lasers (OpotekOpolette 355 LD) gepumpt wurde. Das Lasersystem war mit einem Doppelmonochromator mit 200 mm Brennweite, einer Multimode-UV-VIS-Photovervielfacherröhre (PMT) (R928) und computergesteuerten Hamamatsu H10330B-75-Detektoren ausgestattet. Lumineszenzabklingkurven wurden mit einem PTI ASOC-10 [USB-2500]-Oszilloskop aufgezeichnet und gespeichert.

Das Hauptziel bei der Konstruktion von Mehrring-Tm3+/Tm3+Ho3+-Fasern bestand darin, eine hohe effektive Modenfläche zu erhalten und gleichzeitig einen Single-Mode-Betrieb aufrechtzuerhalten. Die Simulationen der Modaleigenschaften wurden für das gemessene Brechungsindexprofil (skaliert) des Brechungsindexprofils der Vorform der optischen Faser durchgeführt (Abb. 4a). Die Anzahl der propagierten Moden wurde berechnet und die Grenzwellenlänge auf λc = 780 nm geschätzt. Das Profil des Modus ist bei aktiven LMA-Fasern wichtig, da sich der optische Strahl gleichzeitig im Kern und im Mantel ausbreitet. Aus diesem Grund wurde die Profilintensität berechnet und der Modenfelddurchmesser (MFD) von 42,2 µm (bei 1/e) des Grundmode-LP01-Intensitätsprofils für λ = 2000 nm erhalten (Abb. 1a).

(a) LP01-Modenprofil (λ = 2000 nm), (b) effektiver Index des LP01-Modes und der Leistungsanteil im Kern.

Der effektive Brechungsindex des entwickelten Faserdesigns variiert im Bereich von 1,4575 bis 1,4571 für 600 nm bzw. 2100 nm (Abb. 1b). Eine große Modenflächenausbreitung in Fasern mit einem stufenförmigen Brechungsindexprofil kann durch Erhöhen der Kerngröße erreicht werden. Allerdings wird dadurch gleichzeitig die numerische Apertur deutlich auf unpraktische Werte reduziert37. Die niedrige NA fördert die Reduzierung der optischen Leistung im Faserkern und reduziert die nichtlinearen Effekte für Hochleistungsanwendungen. Allerdings können erhebliche Verluste durch Unvollkommenheiten der optischen Faserstruktur, Dämpfung des Mantelbereichs und Faserbiegung (Kopplung mit Mantelmoden) verursacht werden, wenn die NA niedriger als 0,0641 ist. Die Modalempfindlichkeit und die optische Leistung des Grundmodus bei der Übertragung auf Modi höherer Ordnung sind dann ein häufiges Problem. Daher erfordern die mit seltenen Erden dotierten Fasern kurzer Länge, die für Laser und Verstärker verwendet werden, die mit Monomode-Regime-Konstruktionen arbeiten, häufig zusätzliche Mantelmoden-Stripper (z. B. Beschichtungen mit hohem Brechungsindex oder Faserspulen), um die bestmögliche LP01-Strahlqualität (M2 ≈ 1)42. Die deutliche Änderung des Anteils der im Faserkern ausgebreiteten Leistung gegenüber der Ausbreitungswellenlänge ist zu erkennen, und bei 2100 nm werden nur 20 % der optischen Leistung (schwache Führung) im Faserkern ausgebreitet (Abb. 1b).

Die ASE wurde bei Single-End-Kernfaseranregung simuliert (Abb. 2a). Die Konzentrationsprofile der Tm3+- und Ho3+-Ionen wurden anhand der Ergebnisse energiedispersiver Röntgenspektroskopiemessungen berechnet (Abb. 4b). Die spektralen Eigenschaften der Fasersimulationen beschränkten sich auf die Annahme, dass sich die Pumpe und das Signal im Faserkern ausbreiten (der Mantelpumpmechanismus wurde nicht untersucht). Die Vorwärts-CW-Pumpstrahlung bei 796 nm, der Gauß-Profilform und der Pulsleistung von 3 W wurde analysiert. Es wurden die Einmodenausbreitung für den ASE-Kanal und Siliciumdioxid/Luft-Grenzflächenreflexionen an beiden Enden der optischen Faser angenommen. Die verstärkte spontane Emission in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung (ASEF und ASFB) wurde für einen Faserlängenbereich von 2–14 m simuliert (1000 Berechnungsschritte pro Faserlänge, 5 nm pro Kanalspektrum). Die spektrale Leistungsdichte (PSD) von ASE-Signalen in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung wurde im Bereich von 1550–2100 nm untersucht (Abb. 3a, b).

(a) Die schematische Simulation der ASE-Erzeugung, R1- und R2-Reflexion an der Eingangs- bzw. Ausgangsfläche der optischen Fasern, ASEF und ASFB – Amplified Spontaneous Emission in Vorwärts- bzw. Rückwärtsrichtung, (b) Querschnitt der optischen Faser (Dotierung). Struktur).

Das Lumineszenzspektrum wurde für eine 796-nm-Einzelmoden-Anregung für (a) Vorwärts- und (b) Rückwärtsrichtung berechnet.

Das normalisierte Spektrumprofil unterscheidet sich in beiden ASE-Bildungsrichtungen deutlich. Es ist zu erkennen, dass die mit dem Übergang 5I7 → 5I8 verbundene Holmium-Emissionsbande (2000–2100 nm) mit der Faserlänge zunimmt. Dieses Phänomen hängt mit dem Energieübertragungsmechanismus Tm → Ho-Ionen zusammen und ist im Spektrum der ASE-Rückwärtsrichtungen intensiver (Abb. 3b). Es ist erwähnenswert, dass die Methode der kombinierten Erzeugung beider Enden verwendet werden kann, um ein gleichmäßigeres Emissionsprofil zu erhalten.

Die Vorformen wurden hinsichtlich des Brechungsindexprofils und der Konzentrationsmessungen der Dotierstoffe analysiert. Das Brechungsindexprofil sowie die Tm2O3-, Ho2O3- und Al2O3-Konzentration sind in Abb. 4a,b dargestellt. Bei der Analyse der dargestellten Diagramme kann man einen Zusammenhang zwischen den Konzentrationen der Lanthaniden (Thulium und Holmium) und dem Anstieg des Brechungsindex feststellen. Der Einfluss der Dotierungskonzentration von Lanthaniden auf den Brechungsindexwert kann mithilfe der folgenden Gleichung40 abgeschätzt werden:

wobei sich \({C}_{RE}\) und \({C}_{\mathrm{Al}2\mathrm{O}3}\) auf die molaren %-Konzentrationen von Seltenerdmetallen und Aluminiumoxiden beziehen jeweils.

Charakterisierung der hergestellten Vorform: (a) ∆n, Brechungsindexprofil (b) EPMA-EDS-Profil der Gewichtskonzentration von Tm2O3, Ho2O3, Al2O3.

Im betrachteten Fall ist der ∆n des Brechungsindex relativ niedrig (maximal 1,25·10−3). Der Abscheidungsprozess wurde optimiert, um den zentralen Einbruch im Brechungsindexprofil zu beseitigen, der ein häufiges Problem bei der MCVD-Technologie darstellt37. Dies gewährleistet einen niedrigen numerischen Aperturwert NAcore/cladd = 0,054 und fördert den Single-Mode-Betrieb. Eine niedrige NA ist wichtig, da sie die Gesamtzahl der geführten Moden bei einem großen Kerndurchmesser reduziert und einen zuverlässigen Single-Mode-Betrieb ermöglicht. Darüber hinaus sollte das Dotierungsprofil der Grundmodusverstärkung den Vorzug geben. Das gemessene Dotierungsprofil des Faserkerns besteht aus 11 Abscheidungsstufen. Das Tm3+ ist in allen Ringschichten vorhanden, während Ho3+ gemäß Abb. 2b in 5 Ringschichten vorhanden ist. Sowohl die Tm3+- als auch die Ho3+-Dotierstoffe sind im Analyseergebnis der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDS) der Elektronensonden-Mikroanalyse (EPMA) zu erkennen (Abb. 4b, Ho3+ wurde zusätzlich als blaue Hintergrundfarbe markiert). Die maximale Gewichtskonzentration der Tm2O3- und Ho2O3-Komplexe beträgt 0,5 % bzw. 0,2 %, während die Aluminiumoxidkonzentration unter 0,05 % liegt. Die niedrige Aluminiumoxidkonzentration kann zu Clusterbildungsphänomenen mit lebenslanger Abschreckung führen37. Das räumliche Profil der Dotierung ist auch im Foto (Abb. 5a) und im REM-Bild (Abb. 5b) der Vorform sichtbar. Im REM-Bild des Vorformlings sind keine Clustereffekte erkennbar. Die Tatsache, dass Aluminium eine geringere Phononenenergie als Silizium hat, ist besonders wichtig beim Bau von Faserlasern43. In unserem Fall wurde die Fluoreszenzabklingzeit für den Übergang Tm3+: 3F4 → 3H6 (Anregung 796 nm, Detektion 1800 nm) gemessen und die einzelne exponentielle Abklingzeit betrug 378 µs (angepasstes R-Quadrat 0,994). Das erhaltene Ergebnis bestätigt, dass es kein signifikantes Clustering-Problem gibt und ist mit anderen berichteten Faserdesigns vergleichbar41.

Charakterisierung des hergestellten Vorformlings: (a) Foto des Vorformlingskerns, (b) REM-Bild des Vorformlingskerns.

Die doppelt umhüllte Struktur aus optischen Fasern wurde nach der richtigen Vorbereitung der Vorform gezogen. Um das gewünschte Kern/Mantel-Verhältnis zu erreichen, müssen der Vorformling und die Ummantelung gedehnt werden (unter Verwendung eines F300-Silikatrohrs). Die äußere Ummantelung wurde durch Abscheidung der Polymerummantelung während des Faserziehens hergestellt. Als Ergebnis wurde die doppelt ummantelte Singlemode-Glasfaser (20 μm Kern und 250 μm Mantel, NAcore/Mantel = 0,054, NAclad/Polymer = 0,482) hergestellt. Die mit dem optischen Zeitbereichsreflektometer bei 1310 nm (2. optisches Fenster) gemessene optische Dämpfung wurde auf ca. 20 dB/km geschätzt.

Die Lumineszenzprofile im Verhältnis zur Faserlänge wurden mithilfe des Mantelpumpens (Anregung 796 nm) und der Cut-Back-Methode gemessen. Die Lumineszenz wurde am Ende der Faser mit einem OSA-Gerät gemessen. Die Co-Dotierung des optischen Faserprofils führt zu einer augensicheren Emission (im Bereich von 1,6–2,1 µm, 10 dB Bandbreite). Darüber hinaus kann die Änderung des Spektrumprofils in Abhängigkeit von der Faserlänge zur Optimierung seiner Form genutzt werden (Abb. 6a, b), da die leichte Rotverschiebung des maximalen Emissionsprofils im Bereich von 1804 nm bis 1827 nm spürbar ist Die Halbwertsbreite (FWHM) nimmt bei einer Faserlänge von 2 bis 10 m von 318 auf 270 nm ab. Das Emissionsprofil ändert sich aufgrund des Reabsorptionsprozesses in der optischen Faserstruktur (Tm3+: 3H4 → 3H6). Infolgedessen sind Veränderungen im Lumineszenzprofil der Thuliumemission erkennbar. Die Ergebnisse numerischer Berechnungen der in Abb. 3a und b dargestellten Lumineszenzspektren weichen von denen ab, die in der hergestellten optischen Faser gemessen wurden (die Messergebnisse zeigen deutlich geringere Änderungen im Emissionsspektrum). Der Schlüsselparameter, der die Unterschiede beeinflusst, ist die Verwendung des Pumpmechanismus bei den Berechnungen nur des Kernbereichs, im Gegensatz zum Pumpen mit dem Mantel, das bei den Messungen verwendet wurde. Dies führt zu einer deutlich schnelleren Absorption der Pumpe in der optischen Faserstruktur. Sowohl die Ergebnisse numerischer Berechnungen als auch Messungen bestätigen jedoch die Möglichkeit, das Lumineszenzprofil durch die Wahl der Länge der optischen Faser zu formen. Die Tm3+/Ho3+-kodotierten Fasern werden häufig als Faserlaserkonstruktionen im Bereich von 1,7–1,8 µm41 und 2,0–2,1 µm untersucht, die eine Ausgangsleistung von Zehntel Watt erzielen42. Die für die Breitbandemission konzipierten Fasern wurden auch für ASE-Quellen untersucht und demonstriert, die eine flache spektrale Leistungsdichte im Bereich von 1527 bis 2171 nm (10 dB Bandbreite) aufweisen43. Unsere Untersuchungen zeigen, dass mit dem vorgeschlagenen Design der LMA-Faser eine breitbandige Emission im augensicheren Spektralbereich erzielt werden kann.

(a) Das Profil des Lumineszenzspektrums (Einschub-Faser-Foto), (b) λmax und FWHM gegenüber der Faserlänge bei exc. 796 nm.

Die Quarzglasfaser mit großer Modenfläche (42,2 µm von MFD LP01 bei 2000 nm) für die Emission in der augensicheren Emission im Bereich von 1,6–2,1 µm wurde hergestellt und hinsichtlich ihrer Lumineszenzeigenschaften charakterisiert. Das normalisierte Spektrumprofil für beide ASE-Bildungsrichtungen wurde berechnet. Die mit dem Übergang 5I7 → 5I8 verbundene Holmium-Emissionsbande (2000–2100 nm) nimmt aufgrund des Übertragungsmechanismus Tm → Ho gegenüber der Faserlänge zu. Die doppelt ummantelte optische Faser (20 μm Kern und 250 μm Mantel, NAcore/Cladd = 0,054, NAcladd/Polymer = 0,482) mit einem Mehrringprofil aus Thulium- und Holmium-Dotierung wurde mithilfe der MCVD-CDT-Technologie hergestellt. Das Mehrringprofil mit maximalen Gewichtskonzentrationen der Tm2O3- und Ho2O3-Komplexe von 0,5 % bzw. 0,2 % wurde mittels SEM/EDS-Analyse bestätigt. Die Halbwertsbreite (FWHM) im Bereich von 318 bis 270 nm wurde für Faserlängen von 2 bis 10 m gemessen. Das vorgeschlagene Faserdesign kann als Single-Mode-Strahlungsquelle (im Bereich nahe 2 μm) in neuen photonischen Geräten (Umweltsensoren, Laserscanner, Freiraum-Telekommunikation oder wissenschaftliche Anwendungen) verwendet werden. Die mit der vorgeschlagenen Faserkonstruktion erzielte Modenfeldbreite ist größer als die kommerziell erhältlicher aktiver Fasern, was zweifellos eine weitere Entwicklung und die Erzielung eines breiten Modenprofils bei LMA-Fasern ermöglichen wird.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Sliney, DH Lasersicherheit. Laserchirurgie. Med. https://doi.org/10.1002/lsm.1900160303 (1995).

Artikel PubMed Google Scholar

Franks, JK Was ist augensicher? in (Hrsg. Johnson, AM) 2–8 (1991). doi:https://doi.org/10.1117/12.43840.

Scholle, K., Lamrini, S., Koopmann, P. & Fuhrberg, P. 2 µm-Laserquellen und ihre möglichen Anwendungen. In Frontiers in Guided Wave Optics and Optoelectronics (Hrsg. Scholle, K.) (InTech, 2010). https://doi.org/10.5772/39538.

Kapitel Google Scholar

Jackson, SD Auf dem Weg zu einer Hochleistungsemission im mittleren Infrarotbereich eines Faserlasers. Nat. Photon. 6, 423–431. https://doi.org/10.1038/nphoton.2012.149 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Geng, J., Wang, Q., Lee, Y. & Jiang, S. Entwicklung augensicherer Faserlaser nahe 2 μm. IEEE J. Sel. Spitze. Quantenelektron. 20, 150–160 (2014).

Artikel ADS Google Scholar

Hoult, T. Laser im 2um SWIR-Spektralbereich und ihre Anwendungen. in CLEO: 2015 ATu4M.1 (OSA, 2015). doi:https://doi.org/10.1364/CLEO_AT.2015.ATu4M.1.

Geng, J., Wang, Q. & Jiang, S. 2μm-Faserlaserquellen und ihre Anwendungen. in (Hrsg. Taylor, EW & Cardimona, DA) 816409 (2011). doi:https://doi.org/10.1117/12.896259.

Pierce, MC, Jackson, SD, Dickinson, MR & King, TA Laser-Gewebe-Interaktion mit einem leistungsstarken 2-µm-Faserlaser: Vorläufige Studien mit Weichgewebe. Laserchirurgie. Med. 25, 407–413 (1999).

3.0.CO;2-9" data-track-action="article reference" href="https://doi.org/10.1002%2F%28SICI%291096-9101%281999%2925%3A5%3C407%3A%3AAID-LSM7%3E3.0.CO%3B2-9" aria-label="Article reference 8" data-doi="10.1002/(SICI)1096-9101(1999)25:53.0.CO;2-9">Artikel CAS PubMed Google Scholar

Fried, NM Thulium-Faserlaser-Lithotripsie: Eine In-vitro-Analyse der Steinfragmentierung unter Verwendung eines modulierten 110-Watt-Thulium-Faserlasers bei 1,94 µm. Laserchirurgie. Med. 37, 53–58 (2005).

Artikel PubMed Google Scholar

Písařík, M. et al. Thulium-dotierte Faser-Breitbandquelle für den Spektralbereich nahe 2 Mikrometern. Opto-Elektron. Rev. https://doi.org/10.1515/oere-2016-0022 (2016).

Artikel Google Scholar

Theisen-Kunde, D., Ott, V., Brinkmann, R. & Keller, R. Potenzial eines neuen cw 2μm Laserskalpells für die laparoskopische Chirurgie. Med. Laseranwendung 22, 139–145 (2007).

Artikel Google Scholar

Beyon, JY Hochenergetischer 2-μm-Doppler-Lidar für Windmessungen. Opt. Ing. 46, 116201 (2007).

Artikel ADS Google Scholar

Henderson, SW et al. Kohärentes Laserradar bei 2 µm unter Verwendung von Festkörperlasern. IEEE Trans. Geosci. Remote Sens. 31, 4–15 (1993).

Artikel ADS Google Scholar

Voisiat, B. et al. Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern im 2μm Wellenlängenbereich. in (Hrsg. Roth, S., Nakata, Y., Neuenschwander, B. & Xu, X.) 935014 (2015). doi:https://doi.org/10.1117/12.2078651.

Shi, W., Fang, Q., Zhu, X., Norwood, RA & Peyghambarian, N. Faserlaser und ihre Anwendungen [eingeladen]. Appl. Opt. 53, 6554 (2014).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Mingareev, I. et al. Schweißen von Polymeren mit einem 2μm Thulium-Faserlaser. Opt. Lasertechnologie 44, 2095–2099 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

1700 nm ASE-Lichtquelle und ihre Anwendung für die Spektroskopie im mittleren Infrarot | Veröffentlichung der IEEE-Konferenz | IEEE Xplore. https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/6888126.

Tanabe, S. Mit seltenen Erden dotierte Gläser für Faserverstärker in der Breitbandtelekommunikation. CR Chim. 5, 815–824 (2002).

Artikel CAS Google Scholar

Zhang, Q. et al. Eigenschaften der Infrarotemission und Energieübertragung zwischen Tm 3+ und Ho 3+ in Lanthan-Aluminium-Germanat-Gläsern. J. Opt. Soc. Bin. B https://doi.org/10.1364/JOSAB.27.000975 (2010).

Artikel Google Scholar

Li, M. et al. ∼2 µm Lumineszenz- und Energieübertragungseigenschaften in Tm3+/Ho3+-codotiertem Silikatglas. J. Quant. Spectrosc. Strahlen. Transf. 127, 70–77 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Wang, X. et al. Spektroskopische Eigenschaften von mit Ho3+ und Al3+ kodotiertem Quarzglas für 2-μm-Lasermaterialien. J. Lumin. 166, 276–281 (2015).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Jackson, SD Die spektroskopischen und Energieübertragungseigenschaften der Seltenerdionen, die für Silikatglasfaserlaser verwendet werden, die im kurzwelligen Infrarot arbeiten. Laserphoton. Rev. 3, 466–482 (2009).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mangini, F. et al. Durch Multiphotonenabsorption angeregte Up-Conversion-Lumineszenz in optischen Fasern. Physik. Rev. Appl. 14, 054063 (2020).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ferraro, M. et al. Nichtlineare Femtosekundenverluste in Multimode-Lichtwellenleitern. Photon. Res. 9(12), 2443–2453 (2021).

Artikel Google Scholar

Schuster, K. et al. Material- und Technologietrends in der Faseroptik. Adv. Opt. Technol. https://doi.org/10.1515/aot-2014-0010 (2014).

Artikel Google Scholar

Saha, M., Pal, A. & Sen, R. Dampfphasen-Chelatabgabetechnik zur Herstellung seltenerddotierter optischer Fasern. In International Conference on Fiber Optics and Photonics TPo.12 (Hrsg. Saha, M.) (OSA, 2012). https://doi.org/10.1364/PHOTONICS.2012.TPo.12.

Kapitel Google Scholar

Mat Sharif, KA, Omar, NYM, Zulkifli, MI, Muhamad Yassin, SZ & Abdul-Rashid, HA Herstellung von Aluminiumoxid-dotierten optischen Faservorformen durch MCVD-Metallchelat-Dotierungsverfahren. Appl. Wissenschaft. https://doi.org/10.3390/app10207231 (2020).

Artikel Google Scholar

Miluski, P. et al. Augensichere Emission in mit Tm3+/Ho3+ und Yb3+/Tm3+ kodotierten optischen Fasern, hergestellt mit dem MCVD-CDS-System. Opt. Mater. 101, 10971 (2020).

Artikel Google Scholar

Siegman, AE Hochleistungslaserstrahlen: Definition, Messung und Optimierung der Querstrahlqualität. In 9th International Symposium on Gas Flow and Chemical Lasers (Hrsg. Fotakis, C. et al.) 758–765 (SPIE, 1993). https://doi.org/10.1117/12.144597.

Kapitel Google Scholar

Paschotta, R. Verschlechterung der Strahlqualität von Lasern durch Strahlverzerrungen innerhalb des Hohlraums. Opt. Express 14, 6069 (2006).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Baggett, JC, Monro, TM, Furusawa, K. & Richardson, DJ Vergleichende Studie von löchrigen und konventionellen Fasern mit großer Mode. Opt. Lette. 26, 1045 (2001).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Jain, D., Jung, Y., Kim, J. & Sahu, JK Robuste Single-Mode-All-Solid-Multi-Trench-Faser mit großer effektiver Modenfläche. Opt. Lette. 39, 5200 (2014).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Jain, D., Baskiotis, C. & Kumar Sahu, J. Modusbereichsskalierung mit stabförmigen Fasern mit mehreren Gräben. http://apl.aip.org/resource/1/applab/v89/i11/p111119_s1. (2013).

Li, M.-J. et al. Grenze der effektiven Fläche für den Einzelmodenbetrieb in Laserfasern mit großem Modenbereich und Stufenindex. J. Lightwave Technol. 27, 3010–3016 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Miluski, P. et al. Fasern mit großer Modenfläche für Singlemode-Übertragung in der Nähe von 2 μm Proc. SPIE 12142, 121420M (2022).

Google Scholar

Beier, F. et al. Schmale Linienbreite, Singlemode mit 3 kW Durchschnittsleistung von einem direkt diodengepumpten Ytterbium-dotierten Faserverstärker mit niedriger NA. Opt. Express 24, 6011 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Samson, B., Frith, G., Carter, A. & Tankala, K. Hochleistungs-Lichtwellenleiter mit großer Modenfläche für Faserlaser und Verstärker. OFC/NFOEC 2008 – 2008 Conference on Optical Fiber Communication/National Fiber Optic Engineers Conference (2008) doi:https://doi.org/10.1109/OFC.2008.4528625.

Peterka, P., Dussardier, B., Blanc, W., Kasik, I. & Honzatko, P. Thulium-dotierte Quarzfasern mit verbesserter 3H4-Lebensdauer für Faserlaser und Verstärker. Im Jahr 2012 IEEE 3rd International Conference on Photonics 56–60 (IEEE, 2012). https://doi.org/10.1109/ICP.2012.6379827.

Kapitel Google Scholar

Kong, F. et al. Fasern mit großer Modenfläche, die in der Nähe des Singlemode-Regimes arbeiten. Opt. Express 24, 10295 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kirchhof, J., Unger, S., Schwuchow, A. & Dellith, J. Optische Eigenschaften von mit Ytterbium/Aluminium dotierten Quarzgläsern. Opt. Mater. Express 10, 907–925 (2020).

Artikel ADS Google Scholar

Noronen, T., Okhotnikov, O. & Gumenyuk, R. Elektronisch abstimmbarer modengekoppelter Thulium-Holmium-Faserlaser für das Wellenlängenband 1700–1800 nm. Opt. Express 24, 14703 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ramírez-Martínez, NJ, Núñez-Velázquez, M. & Sahu, JK Studie zum Dotierstoffkonzentrationsverhältnis in Thulium-Holmium-dotierten Quarzfasern für Laser bei 21 μm. Opt. Express 28(17), 24961–24967 (2020).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Honzatko, P., Baravets, Y., Kasik, I. & Podrazky, O. Breitbandige Thulium-Holmium-dotierte Faserquelle mit kombinierter Vorwärts- und Rückwärtsverstärkter spontaner Emission im Spektralband von 1600–2300 nm. Opt. Lette. 39, 3650 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Referenzen herunterladen

Das Forschungsprojekt wurde vom Nationalen Wissenschaftszentrum (Polen) finanziert, das auf der Grundlage der Entscheidung Nr. UMO-2020/37/B/ST7/03094.

Fakultät für Elektrotechnik, Technische Universität Bialystok, Wiejska 45D Street, 15-351, Bialystok, Polen

Piotr Miluski, Krzysztof Markowski, Marcin Kochanowicz, Jacek Żmojda, Tomasz Ragiń, Valiantsin Askirka & Jan Dorosz

Fakultät für Geologie, Geophysik und Umweltschutz, AGH Universität für Wissenschaft und Technologie, 30 Mickiewicza Av., 30-059, Krakau, Polen

Marek Łodziński

Institut für Chemie, Schlesische Universität, 9 Szkolna Street, 40-007, Katowice, Polen

Wojciech A. Pisarski, Joanna Pisarski und Marta Kuwik

Fakultät für Materialwissenschaften und Keramik, AGH University of Science and Technology, 30 Mickiewicza Av, 30-059, Krakau, Polen

Magdalena Leśniak & Dominik Dorosz

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

PM, KM und MK führten die Experimente durch: Herstellung optischer Vorformen und Fasern, M.Ł., ML- und DD-Messungen und Analyse der Dotierstoffkonzentrationen, WAP-, JP- und MK-Lebensdauermessungen und -Analyse, J.Ż., TR analysierten die Ergebnisse, VA und JD überprüften das Manuskript.

Korrespondenz mit Piotr Miluski.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Miluski, P., Markowski, K., Kochanowicz, M. et al. Tm3+/Ho3+ profilierte co-dotierte optische Faser mit Kernbereich für Emission im Bereich von 1,6–2,1 µm. Sci Rep 13, 13963 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-41097-2

Zitat herunterladen

Eingegangen: 19. Juni 2023

Angenommen: 22. August 2023

Veröffentlicht: 26. August 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-41097-2

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.