Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, способы его изготовления и волоконный лазер - RU2005129648A

Реферат

1. Волоконный световод для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, содержащий сердцевину из оксидного стекла, содержащую оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, и обеспечивающую оптическое усиление, и по меньшей мере одну оболочку из оксидного стекла, отличающийся тем, что сердцевина содержит оксиды элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, висмута, алюминия, галлия, при этом концентрация оксида висмута составляет 10^-4-5 мол.%, концентрация оксидов кремния и германия, взятых вместе или по отдельности, составляет 70-99,8999 мол.%, концентрация оксидов алюминия и галлия, взятых вместе или по отдельности, составляет 0,1-20 мол.%, концентрация оксида фосфора составляет от 0 до 10 мол.%, и обеспечивает максимальный коэффициент оптического усиления по меньшей мере в 10 раз превышающий коэффициент нерезонансных потерь в волоконном световоде, внешняя оболочка из оксидного стекла состоит из кварцевого стекла, при этом сердцевина волоконного световода обеспечивает люминесценцию в области 1000-1700 нм при возбуждении излучением с длинами волн в пределах 750-1200 нм с шириной полосы люминесценции на половине высоты более 120 нм, границы полосы люминесценции определяются как точки, в которых интенсивность люминесценции падает в два раза по отношению к интенсивности в максимуме полосы люминесценции, и находятся внутри спектрального диапазона 1000-1700 нм, причем сердцевина имеет полосу поглощения в области 1000 нм, накачка в которую обеспечивает повышение энергетического преобразования излучения накачки в излучение люминесценции в указанном диапазоне 1000-1700 нм по сравнению с накачкой в другие полосы поглощения.

2. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что содержит внешнюю защитную полимерную оболочку.

3. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что относительная концентрация оксида кремния и оксида германия изменяется в пределах от 0 до 100%.

4. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что относительная концентрация оксида алюминия и оксида галлия изменяется в пределах от 0 до 100%.

5. Волоконный световод по п.1, отличающийся тем, что положение полосы оптического усиления волоконного световода определяется соотношением концентраций оксидов кремния и германия в составе стекла сердцевины, так что увеличение концентрации оксида германияприводит к сдвигу полосы оптического усиления в длинноволновую область.

6. Волоконный световод по п.2, отличающийся тем, что показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки меньше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения накачки по сердцевине и оболочке волоконного световода.

7. Волоконный световод по п.2, отличающийся тем, что показатель преломления внешней защитной полимерной оболочки больше, чем показатель преломления внешней оболочки из кварцевого стекла, для обеспечения распространения излучения только по сердцевине волоконного световода.

8. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000^оС и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100^оС для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод, отличающийся тем, что дополнительно одновременно с указанными хлоридами пропускают через трубу из кварцевого стекла пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст., для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, чем достигают легирования стекла сердцевины оксидом висмута.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что способ химического осаждения из газовой фазы выбран из группы, состоящей из модифицированного метода химического осаждения из газовой фазы MCVD), плазменного метода осаждения из газовой фазы (PCVD) и его модификации (SPCVD).

10. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода модифицированным методом химического осаждения из газовой фазы оксидов, формирующих сердцевину и образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на внутреннюю поверхность трубы из кварцевого стекла, служащую оболочкой, для чего пропускают через трубу из кварцевого стекла кислород и пары хлоридов указанных элементов при температуре 1700-2000°С и получают на внутренней поверхности трубы пористый слой стекла, формирующего сердцевину, отличающийся тем, что заливают внутрь трубы раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 ч, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем трубу нагревают в потоке кислорода, азота и хлорсодержащих реагентов до температуры 1700-2000°С для преобразования пористого слоя стекла в сплошной слой,

подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100°С для получения заготовки световода в виде сплошного стержня, из которого затем вытягивают световод.

11. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500^оС в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло, и затем вытягивают световод, отличающийся тем, что при формировании сердцевины легируют сердцевину волоконного световода оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов, в котором при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

12. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину заготовки осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на поверхность керамического стержня при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, затем формируют слои оболочки, для чего уменьшают концентрацию подаваемых хлоридов указанных элементов, при этом сохраняют концентрацию хлорида кремния, охлаждают заготовку волоконного световода до комнатной температуры и снимают ее с керамического стержня, затем заготовку нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло, и затем вытягивают световод, отличающийся тем, что после формирования сердцевины стержень совместно с сердцевиной в виде пористого стекла охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 ч, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, а затем переходят на стадию формирования оболочки.

13. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину и оболочку в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, при этом профиль показателя преломления задают регулированием пространственного распределения концентрации указанных хлоридов, подаваемых в пламя коаксиальной горелки, затем стержень из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600°С для преобразования пористого стекла в сплошное стекло с получением заготовки, из которой затем вытягивают световод, отличающийся тем, что при формировании заготовки легируют сердцевину оксидом висмута, для чего твердый хлорид висмута нагревают до температуры 70-200°С и образующиеся пары хлорида висмута при парциальном давлении 10-35 мм рт.ст. вводят в основной поток хлоридов указанных элементов в центральную часть коаксиальной горелки, при этом в основном потоке при взаимодействии кислорода с парами хлорида висмута образуется оксид висмута, осаждающийся вместе с оксидами указанных элементов.

14. Способ изготовления волоконного световода для оптического усиления излучения на длине волны в диапазоне 1000-1700 нм, заключающийся в том, что изготавливают заготовку волоконного световода методом аксиального химического осаждения из газовой фазы, для чего формируют сердцевину в виде стержня осаждением из газовой фазы оксидов, образующихся в пламени коаксиальной горелки при взаимодействии кислорода с парами хлоридов элементов, выбранных из группы, состоящей из кремния, германия, фосфора, алюминия, галлия, на торцевую поверхность растущей заготовки при температуре 1300-1500°С в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, отличающийся тем, что после формирования сердцевины в виде пористого стекла ее охлаждают до комнатной температуры и погружают в раствор нитрата висмута в концентрированной азотной кислоте (50-90% HNO₃) при концентрации нитрата висмута в растворе 0,01-0,5 моль/л и выдерживают в течение 1-3 ч, после чего растворитель - азотную кислоту и воду - высушивают при комнатной температуре в потоке кислорода и азота, затем сердцевину из пористого стекла нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600^оС для преобразования стержня из пористого стекла в стержень из сплошного стекла, затем формируют оболочку и получают заготовку, из которой затем вытягивают световод.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что формируют оболочку методом внешнего химического осаждения из газовой фазы, для чего осаждают из газовой фазы оксид кремния, образующийся при взаимодействии кислорода с парами хлорида кремния на поверхность стержня сердцевины при температуре 1300-1500^оС в виде мелкодисперсных частиц, образующих пористое стекло, которое затем нагревают в атмосфере кислорода, гелия и хлорсодержащих реагентов до температуры 1400-1600^оС для преобразования пористого стекла в сплошное стекло.

16. Способ по п.14, отличающийся тем, что формируют оболочку путем введения стержня сердцевины в полость кварцевой трубы и подвергают трубу последующему сжатию под действием сил поверхностного натяжения при температуре 2000-2100^оС для получения заготовки световода в виде сплошного стержня.

17. Волоконный лазер для генерирования оптического излучения с длиной волны, находящейся в диапазоне длин волн в пределах от 1000 до 1700 нм, содержащий по меньшей мере один волоконный световод для усиления оптического излучения лазера, источник оптической накачки, устройство для ввода излучения накачки в указанный волоконный световод, резонатор оптического излучения, обеспечивающий многократное прохождение генерируемого лазером излучения по указанному световоду, устройство вывода генерируемого излучения из резонатора, отличающийся тем, что в качестве волоконного световода для усиления оптического излучения лазера использован волоконный световод, выполненный по любому из пп.1-7.

18. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что длины волн излучения накачки находятся в диапазоне 750-1200 нм.

19. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что длины волн излучения накачки, обеспечивающие наиболее высокую эффективность генерации, находятся в диапазоне 850-1100 нм.

20. Волоконный лазер по п.17, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну брэгговскую решетку, записанную на сердцевине волоконного световода по любому из пп.1-7.