用于中红外超连续光源的氟化铝基玻璃微结构光纤研究

High power mid-infrared supercontinuum (SC) light sources in 2~5 μm region have found numerous applications in many fields as fundamental scientific research, biological medicine, environmental pollution monitoring, industrial processing and national defense security. Presently, the main nonlinear media of such SC light sources are zirconium fluoride based glass fibers, ZBLAN fibers for short. ZBLAN fibers have low damage threshold and poor chemical stabilities, which limiting the power scaling and real applications of relative SC light sources. Compared to ZBLAN fibers, aluminium fluoride based glass fibers have higher laser damage thresholds and better chemical stabilities. They are a potential nonlinear medium for high power SC light sources, while there was still no relative report. Based on the previous work, in the project, the applicant will systematic study the effects of material components and melting technologies on the thermal stabilities of the aluminium fluoride based glasses; study the effects of material purities and fiber preparation technics on the fiber dispersion and confinement loss in long-wavelength region; study the effects of fiber dispersion and loss on SC generation; fabricate out aluminium fluoride base microstructured fibers with low losses (<0.1 dB/m); and develop their applications in mid-infrared SC light sources.

2~5 μm波段高功率中红外超连续（SC）光源在基础科学研究、生物医疗、环境污染监测、工业加工以及国防安全等众多领域都有着重要的应用。目前，研制上述光源所用的非线性介质为氟化锆基玻璃光纤，简称ZBLAN光纤。ZBLAN光纤的损伤阈值低、化学稳性差，这限制了上述SC光源的功率提升及其在实际中的应用。与ZBLAN光纤相比，氟化铝基玻璃光纤具有更高的抗激光损伤阈值和更好的化学稳定性，是一种潜在的可用于高功率SC光源研制的非线性介质，但目前还未见相关光源报道。本项目拟在申请者前期工作的基础上，通过研究原料组分及熔制工艺对氟化铝基玻璃热稳定性的影响，研究原材料纯度及光纤制备工艺对光纤损耗和强度的影响，研究光纤结构变化对光纤色散和长波区受限损耗的影响以及光纤色散和损耗对SC光谱产生的影响，制备出损耗<0.1 dB/m的氟化铝基玻璃微结构光纤，并探索其在中红外SC光源研制方面的应用。

2~5 μm 波段的中红外超连续（SC）激光光源在基础科学研究、生物医疗、环境污染监测、工业加工以及国防安全等众多领域都有着重要的应用。本项目提出研制一种红外透过窗口宽、热稳定性好、抗潮解能力强、激光损伤阈值高的新型中红外光纤，该光纤可用于研制可长期稳定运转的宽带宽、高功率中红外SC光源。在本项目的资助下，我们探索制备出具有透过窗口宽（0.4 ~ 5 μm）、羟基含量低、热稳定性好、抗潮解能力强、激光损伤阈值高、热学参数相近而折射率差较大的AlF3基玻璃（ABCYSMT）和氟碲酸盐玻璃（TBY）。利用上述两种玻璃材料分别作为包层和纤芯材料，制备出全固态高NA氟碲酸盐玻璃光纤，其NA>1.12。通过改变光纤纤芯尺寸，可以实现光纤零色散波长的大范围调控。实验中，通过优化光纤制备工艺，将该类光纤的损耗降低至了0.2~0.3 dB/m。通过改进特种光纤制备系统配置、提高系统控制精度、优化光纤制备工艺以及提高光纤原材料纯度，可将该类光纤的损耗降低至<0.1 dB/m。进一步我们利用上述高NA光纤作为非线性介质，利用自制的1.56或2 μm波段超短脉冲光纤激光器作为泵浦源，研制出光谱范围0.6~5.4 μm波段的宽带SC光源、平均功率> 20 W的中红外SC光源和光谱范围覆盖1028-2804 nm（除泵浦光外的5 dB带宽）的光谱平坦SC光源；获得了波长调谐范围覆盖1.96-2.82 μm的中红外拉曼孤子激光，并研究了增益对孤子自频移的调制作用。在理论研究方面，我们设计出了色散曲线呈倒L型的全正色散碲酸盐微结构光纤。理论计算结果表明，利用该光纤作为非线性介质，可提高中红外光转换效率并保持高的相干性。另外，我们还研制出基于自制稀土离子掺杂AlF3基和InF3基玻璃光纤的~3 μm波段光纤激光器；在实验上实现了梳齿间隔调谐范围覆盖GHz-THz的光频率梳；实现了1.5和2 μm波段被动锁模/调Q光纤激光输出，利用啁啾脉冲放大技术，研制出高功率2 μm超短脉冲光纤激光器。本项目资助期间，在权威刊物上发表研究论文成果29篇，其中SCI论文27篇，EI论文2篇；申请发明专利7项，授权发明专利4项。