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稀土掺杂氟铝基玻璃光谱及中红外光纤激光性能研究

摘要

2.5-5μm中红外波段因其属于大气透射窗口、介质分子吸收区和热辐射能量集中区

域，在基础光谱、医学诊疗、感知成像、航空航天和安全防护等方面受到广泛关注。在

众多类型的中红外激光器中，光纤激光器被认为是最有希望实现便携、稳定和高效中红

外激光输出的良好光源。氟化物玻璃材料是中红外激光光源的优异基质，具有声子能量

低、透射效率高、传输窗口宽、稀土离子溶解度高和易制备的特点，其中的氟铝基玻璃

还具备良好的抗潮解性能和机械性能，在实现稳定的高功率中红外光纤激光方面相比其

他氟化物玻璃具有很大潜力。然而，国内外对氟铝基玻璃和光纤的基本性能、荧光和激

光的特性研究匮乏，以稀土掺杂氟铝基玻璃光纤为增益介质的百毫瓦级中红外激光也久

未实现。

本论文工作围绕氟铝基玻璃材料，从玻璃本身的物理化学特性和光学特性出发，进

一步研究其掺入稀土后的荧光发射能力和拉制为光纤后的激光输出能力，对实现国内自

研氟铝基中红外光纤激光器方面具有一定的指导性价值。本论文的具体研究内容如下：

1.研究了氟铝基玻璃的物理特性和光学特性。对五种氟铝基玻璃的热力学性质、密

度、折射率、拉曼光谱、透射和吸收光谱、抗潮解性和热机械性质进行测试和分析。相

比于其他氟化物玻璃，较低声子能量的氟铝基玻璃具有更好的热承受能力、更佳的抗潮

解性能和更优的热机械性质，确定了这种材料在物理和化学性能上适用于激光器的制造。

2.在经典氟铝基玻璃中掺入1mol%镧系稀土离子以测试其吸收光谱，获得了稀土

离子在该玻璃中的吸收光谱形状和位置，依据各吸收峰峰位确定了稀土离子在该玻璃中

的能级分配，为稀土离子在氟铝基玻璃中的能级跃迁分析提供辅助判据。

3.研究了稀土掺杂氟铝基玻璃在中红外波段的荧光发射能力。对Ho3+/Pr3+共掺、

Er3+掺杂、Ho3+/Nd3+共掺和Pr3+/Yb3+共掺氟铝基玻璃进行了上转换和下转换荧光测试，

并依据荧光寿命确定了以上玻璃的中红外发光机理。以Ho3+/Pr3+共掺样品的2.9μm发

光为起点，深入研究了上述稀土掺杂玻璃的3.5μm发光、3.9μm发光和2.6-4.1μm宽

带发光性能，有效拓宽了氟铝基玻璃的中红外发光波段。

4.研究了Ho3+/Pr3+共掺准单模和多模氟铝基玻璃光纤的基本性能和中红外激光性

能。采用吸注法、旋转浇筑技术和棒管法制备的准单模光纤由于具有较小的芯径，在1150

nm激光激发下，可实现光束质量良好的2.86μm中红外激光输出，最高功率为1.13W；

采用一次拉丝工艺获得的芯包异质的Ho3+/Pr3+共掺多模光纤，实现了更低的光纤损耗和

I

哈尔滨工程大学博士学位论文

更高的中红外激光输出功率，通过进一步优化热沉方式，最终实现了大于1.7小时的3.82

W的中红外激光输出。

关键词：稀土离子；氟铝基玻璃；中红外荧光；氟铝基玻璃光纤；中红外激光

II

稀土掺杂氟铝基玻璃光谱及中红外光纤激光性能研究

Abstract

The2.5-5μmmid-infrared(MIR)bandhasbeenwidelyconcernedinbasicspectroscopy,

medicaltreatment,perceptualimaging,aerospaceandsafetyprotectionsinceitbelongsto

atmospherictransmissionwindow,molecularabsorptionregionandconcentratedregionof

thermalradiantenergy.AmongmanytypesofMIRlaser,fiberlaserisconsideredtobethemost

promisingsource