Dy3+摻雜Ga-Sb-La-S新型硫系玻璃和光纖制備及中紅外發光特性

楊志杰，楊安平，任 和，何久洋，艾爾肯·斯地克

(1.新疆師范大學,物理與電子工程學院,新疆礦物發光材料及其微結構實驗室，新型光源與微納光學實驗室，烏魯木齊 830054；2.江蘇師范大學,物理與電子工程學院,江蘇省先進激光材料與器件重點實驗室，徐州 221116)

0 引 言

2.5～5 μm中紅外光源在生物醫療、氣體傳感、紅外對抗等領域都具有重要的應用[1-4]。目前，實現中紅外激光輸出的途徑很多，如光學參量振蕩器(OPO)、量子級聯激光器(QCL)和超連續譜激光器等[5-7]。然而具有高集成度、高可靠性、高功率和低成本的中紅外固體激光器非常稀少。光纖激光器主要以稀土離子摻雜玻璃作為增益介質，具有光束質量好、體積小、轉換效率高、散熱效果好等優點，是實現這類緊湊型、輕量化中紅外激光器的極佳選擇。目前，文獻報道的光纖激光器的最長輸出波長是3.95 μm[8]，其增益介質是Ho3+摻雜ZBLAN氟化物玻璃光纖。而實現超過4 μm波長輸出的光纖激光器則需要尋找聲子能量更低的增益介質。

與氟化物玻璃相比，硫系玻璃具有更低的聲子能量(<350 cm-1)，更寬的紅外透過范圍(最寬可達20 μm以上)以及更高的折射率(2～3)。因此，稀土摻雜硫系玻璃被認為是中紅外激光增益介質[9-11]的理想候選材料。然而，要實現中紅外激光輸出，其玻璃基質須具備高的稀土摻雜濃度、低的傳輸損耗、高的發光效率、高的工作溫度以及合適的熱學性能和機械性能。近年來，Zhang等[12]報道了一種稀土摻雜Ga-Sb-S硫系玻璃，與目前研究較成熟的Ge基和As基硫系玻璃相比，該玻璃具有更寬的紅外透光范圍、較高的稀土離子溶解度、較高的熒光量子效率和較大的受激發射截面，是一種有望實現中紅外激光輸出的增益介質。然而，該玻璃在光纖拉制過程中易析晶?；诖?，研究人員嘗試了通過引入As或I有效改善了玻璃的抗析晶性能，獲得了損耗較低的光纖[13-14]。但是As具有較強的毒性，而I的引入會導致玻璃的稀土離子溶解度顯著降低，這些缺點限制了其實際應用。

本文通過向Ga2S3-Sb2S3玻璃中引入無毒的La2S3來提高玻璃的抗析晶能力，同時進一步提高玻璃的稀土離子溶解度，系統地研究了玻璃的熱學性能和光學性能，優化了玻璃組成，制備了摻雜不同濃度Dy3+的Ga2S3-Sb2S3-La2S3玻璃和光纖；系統地研究了Dy3+摻雜玻璃和光纖的中紅外發光性能，并評估了其作為中紅外激光增益介質的可行性。

1 實 驗

1.1 玻璃制備

采用常規的真空熔融-急冷法制備玻璃，玻璃的化學組成為20Ga2S3-(80-x)Sb2S3-xLa2S3(x=0，1，3，5，7)?！?br>