稀土掺杂InF基玻璃光学特性及中红外激光应用研究
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摘要
中红外2.5-5μm波段位于大气的低损耗传输窗口之一，且包含了许多气体分子的
振动谱线，因而中红外激光可以广泛应用于大气遥感、国防军事、生物医学和材料加
工等领域。产生中红外激光的众多途径中，光纤激光器由于其光束质量好、光-光转换
效率高、散热特性好、结构紧凑和可靠性高等特点，成为实现中红外激光的重要技术
途径之一。随着光纤激光技术的不断发展，其输出波长从近红外波段不断向中红外波
段扩展。然而，光纤激光器的增益光纤玻璃基质是影响中红外激光输出效率的重要因
素之一，玻璃基质的声子能量越高，掺杂的稀土离子多声子弛豫几率越大，使得中红
外激光的产生十分困难。因此，选择具有较低声子能量的InF3基玻璃作为增益光纤基
质，是实现高功率中红外激光的有效解决方案之一。本论文通过研究InF3基玻璃的中
红外发光特性和InF3基光纤的中红外激光性能，为实现高功率中红外光纤激光器奠定
了基础。本论文的主要研究内容如下：
(1)采用熔融淬火法制备了低羟基含量的Ho3+离子、Ho3+/Tm3+离子、Ho3+/Nd3+离
子、Ho3+/Pr3+离子共掺杂InF基玻璃，并对其基本光学性质进行了表征。在888nm激
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光泵浦下，对Ho3+离子掺杂InF3基玻璃的发光特性进行了研究，利用Judd-Ofelt理论
计算得到3.9μm荧光的最大发射截面。在888nm激光的泵浦下，研究了Tm3+离子的
引入对Ho3+离子掺杂InF3基玻璃发光特性的影响。在808nm激光的泵浦下，研究了
Nd3+离子的引入对Ho3+离子掺杂InF基玻璃发光特性的影响，并分析研究了Ho3+/Nd3+
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离子间的能量传递过程。在1150nm拉曼激光器的泵浦下，研究了Pr3+离子的引入对
Ho3+离子掺杂InF基玻璃发光特性的影响。
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(2)研究了InF基玻璃光纤的制备方法并对光纤损耗进行了测试。首先，设计了不
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同组分的InF3基玻璃，通过分析不同组分InF3基玻璃的热力学性质和折射率曲线，选
择了折射率匹配、热稳定性较好(?T＞90℃)的InF基玻璃作为包层和纤芯玻璃材料。
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然后，利用吸注法制备了InF3基玻璃预制棒，利用旋转浇注法制备了碲酸盐玻璃管，
利用棒管法实现了InF3基光纤的拉制。最后，通过优化玻璃原料纯度、预制棒制备流
程和光纤拉制工艺实现了较低损耗InF基玻璃光纤的制备。
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(3)制备了Ho3+离子和Ho3+/Pr3+离子共掺杂InF3基玻璃光纤，分别测试了Ho3+离
子和Ho3+/Pr3+离子共掺杂InF基光纤的2.9μm激光输出特性，并对Ho3+离子掺杂InF
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基光纤的3.9μm激光输出特性进行了模拟仿真。采用1150nm拉曼激光器作为泵浦源，
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哈尔滨工程大学博士学位论文
22cm长的Ho3+离子掺杂InF基光纤作为增益介质，实现了2.9μm的中红外激光输出。
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采用27cm长的Ho3+/Pr3+离子共掺杂InF基光纤作为增益介质，实现了2.9μm激光输
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出功率的增强。通过对Ho3+离子掺杂InF基光纤3.9μm激光的模拟仿真，优化了腔镜