氟化物光纤 Fluoride fibers

2022-10-18 15:16:46 浏览:211

定义

氟化物光纤是基于氟化物玻璃的光纤,例如氟铝酸盐或氟锆酸盐玻璃。 这种玻璃的阳离子通常来自重金属,如锆或铅。 氟锆酸盐玻璃(其中ZrF4是主要成分)就是一个典型的例子,其中ZBLAN玻璃(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF )是最常见的。 这种光纤可以掺杂许多稀土离子,用于光纤激光器和放大器。 还有氟化铟纤光纤(氟酸盐光纤),在更长波长下具有改进的红外透射率。

沉重的玻璃成分导致低声子能量。 这样做最重要的后果是:

  • 氟化物光纤在中红外波长下表现出相当高的光学透明度,而普通二氧化硅光纤吸收波长超过 ≈ 2 μm 的光。
  • 作为主体介质的氟化物玻璃中的稀土掺杂剂离子表现出由多声子跃迁引起的淬灭过程的强烈降低趋势。 因此,与二氧化硅光纤相比,可以大大增加各种亚稳电子能级的寿命,从而实现某些激光器(见下文)。

与其他用于中红外透射的光纤相比,氟化物光纤具有相对较低的折射率和较低的色散。

氟化物光纤的一个问题是它们相对难以制造,因此也很昂贵。 微晶的形成趋势很大,这大大增加了散射的传播损失,尽管原则上可以产生非常小的传播损失。 国际空间站的实验表明,在微重力下制造可以大大改善光纤性能。

通常,氟化物光纤由于其易碎性(不允许,例如强弯曲)而难以处理,并且部分表现出有限的化学稳定性,例如吸湿性。 吸湿性可导致设备寿命有限,与通过水/OH的吸收稳定增加有关;这可以通过合适的光纤涂层和具有由氮化硅(Si3N4) [24]

氟化物光纤的应用

最初设想的氟化物光纤应用是光纤通信,因为中红外光纤的固有损耗原则上可以低于二氧化硅光纤的固有损耗,二氧化硅光纤的透明程度仅为≈ 2μm。 然而,像二氧化硅纤维那样的低损耗在实践中尚未实现,氟化物光纤的脆性和高成本也不支持这个方向的商业化。

后来,发现了氟化物光纤在各种其他应用中的用途。 这些应用中的第一组再次利用氟化物玻璃(→中红外光纤)的中红外透明度;例如中红外激光光谱、光纤传感器、测温术和成像。 此外,氟化物光纤可用于传输光,例如用于 2.9 μm 的 Er:YAG 激光器,如眼科和牙科等医疗应用的要求。 在该领域,还有氧化物光纤作为可能的替代品,特别是锗酸盐玻璃,它也含有重金属。

另一方面,氟化物玻璃中在很大程度上被抑制的多声子跃迁对于实现各种光纤激光器和放大器非常重要,主要是因为各种稀土掺杂剂的上态寿命对于各种激光跃迁来说足够长,特别是在上转换激光器中。 例如,掺铥氟化物光纤可用于蓝色上转换激光器[7,14,15],掺铒氟化物光纤可用于绿色上转换激光器[5]。 掺镨氟化物光纤可用于 1.3 μm 放大器 [8],也可用于具有红色、橙色、绿色或蓝色发射的可见光纤激光器 [4, 9, 11]。 掺铒氟化物玻璃可用于实现3μm光纤激光器[18],也可用于实现1.5μm放大器,与基于二氧化硅的掺铒光纤放大器(EDFA)相比,其增益更宽,更平坦[17]。 也可以将二氧化硅基光纤和氟化物光纤结合起来。

一些氟化物光纤用于中红外区域的超连续体生成,波长可达几微米[23]。 同样,低声子能量产生的良好红外透射率是这些成就的关键,但零色散波长的合适位置也很重要。

参考文献

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