齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明
【摘 要】不断提高以掺铒光纤为核心的光纤器件功率是研究与应用领域中的一个重要课题。高功率光纤器件内能量聚集会发热升温，造成器件光谱参数性能显著变化，进而造成以掺铒光纤为核心的光学器件的性能发生显著变化。因此对掺铒光纤在大温度范围下的光谱性能进行研究具有重要意义。利用斯塔克能级展宽理论建立了掺铒光纤吸收系数与温度的关系模型，在此基础上结合McCumber理论仿真计算了掺铒光纤荧光寿命与温度的关系。以O FS‐M P980型掺铒光纤为实验对象，测量了掺铒光纤在常温至900℃范围内的吸收光谱、发射光谱。结果表明，温度升高造成980 nm波段吸收系数整体下降，且吸收系数的峰值波长增加，平均增加率0.625 nm／100℃。1530 nm波段吸收系数整体展宽，且峰值吸收系数下降，平均下降率为－0.19 dB／100℃。600℃以内荧光寿命随温度呈近似线性下降，下降率为－0.23 m s／100℃。600℃以内理论模型能够反应温度造成峰值吸收系数、荧光寿命近似线性变化的趋势。%In scientific research and engineering application ,improving the power of fiber device is an important topic ,which leads to observably rise of temperature in fiber core at the same time .In this paper ,Thermal effect and its influence on absorp‐tion spectrum and lifetime of Erbium‐doped fiber are studied with numerical modeling .Lorentz broadening of sub‐levels is used to build the mathematical relationship between temperature and absorption spectrum .The McCumber Theory is applied to de‐duce the lifetime of Erbium‐doped fiber in different temperature .Temperature experiments of absorption and emission spectrum from 25 to 900 ℃ are carried out ,which show that the wavelength of absorption peak near 980nm increase at rate of 0.625 nm/100 ℃ ,the ratio of absorption peak near 1 530 nm declines at a rate of 0.001 9 dB · (m℃)-1 and the broadband of absorption spectrum near 1 530 nm increase with rising temperature .The linear variation of lifetime and peak absorption in experiment proves that the theoretical model is reasonable when the temperature is below 600 ℃ .
【期刊名称】《光谱学与光谱分析》
【年(卷),期】2016(036)007
【总页数】5页(P2006-2010)
实验室制硝酸
【关键词】掺铒光纤;温度;吸收光谱;发射光谱;荧光寿命
【作 者】齐翊;陈伟民;雷小华;张伟;李竞飞;许亨艺;刘显明
【作者单位】重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044;重庆大学光电工程学院，光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
【正文语种】中 文秸秆制煤
【中图分类】TN253
掺铒光纤已被广泛应用在光纤放大器、光纤激光器、光纤光源等光器件上。这些光纤器件的功率是实际使用和研究中的需求和发展方向[1-2]。由于掺铒光纤的非激光能级间无辐射
跃迁、激发态吸收、浓度猝灭、二次泵浦等过程均会将光能转变为热能从而造成显著的纤芯能量聚集，因此在千瓦级的光纤激光器和光纤放大器中，掺杂光纤纤芯温度可达300 ℃以上[3-4]。
温度通过影响基态和激发态的斯塔克(Stark)能级上的掺铒离子浓度分布，使得吸收系数和发射系数发生变化，进而对掺铒光纤吸收和发射光谱性能产生显著影响[5]。国内外学者针对掺铒光纤在4.2，77，233，273，295，300，353和600 K等温度下的吸收和发射特性研究[5-8]，展示了掺铒光纤光谱特性在不同温度点下的许多重要特点。但是大范围温度条件下掺铒光纤光谱特性参数变化规律的理论模型尚未建立。因此有必要在大范围温度条件和更多温度点下展开研究，建立理论模型，掌握其变化规律，为掺铒光纤在高功率器件中的应用提供参考。
为了研究掺铒光纤光谱特性受温度的影响，需要从掺铒光纤工作原理出发，分析发其光过程中受温度影响的主要因素及其与温度的关系。
掺铒光纤中铒离子发光是由4f电子层的电子发生能级跃迁造成的。铒离子在泵浦光激发下发光过程的能级结构如图1所示。
铒离子从基态4I15/2能级被泵浦到高能级，以无辐照跃迁的方式跃迁到激光的上能级4I13/2，再以自发辐射或受激辐射的形式跃迁回基态并发射光子。由于激光上能级的荧光寿命很长，因此可以在激光上能级和基极间形成粒子数反转，从而实现光放大或宽光谱自发辐射。玻璃基质的局部静电场会造成铒离子各能级分裂为一组斯塔克能级，每个斯塔克能级又有一定宽度，因此掺铒光纤的自发辐射光谱表现为(1 530±30) nm左右的超荧光光谱。
由于掺铒光纤自身的吸收系数及荧光寿命是研究其光谱性能的重要参数。为此，以下将从机理上进行讨论，并分别建立温度对吸收系数和荧光寿命影响的理论模型。
1.1 温度与吸收系数关系的理论建模
吸收系数是表征掺铒光纤光谱特性的重要参数，温度对铒离子能级宽度的影响会通过改变吸收系数，进而影响掺铒光纤的光谱性能[8]。为此需要从斯塔克能级的谱线展宽出发，研究吸收系数与温度的关系模型。
室温和更高温度条件下，掺铒光纤的4I13/2和4I15/2的斯塔克能级是典型的均匀加宽[9]。
影响均匀加宽的主要因素是电子在能级上的谐振和粒子的碰撞[10]。均匀加宽的线型函数是洛伦兹线型
其中g0是谱线积分值，Δν是半高全宽，ν0是中心频率。将频率与波长的转换关系ν=c/λ； Δν=c/λ1-c/λ2代入上式，化简得
由于掺铒光纤的中心波长1 550 nm比子能级带宽(<10 nm)大两个数量级，即λ0≫Δλ，因此存在以下近似关系，代入上式得
有式(3)可知，以波长为自变量的线型函数依然是洛伦兹曲线，因此对掺铒光纤吸收系数的洛伦兹拟合可以直接在波长域进行。
低温下掺铒光纤吸收系数的精细结构的研究表明，吸收系数共有7个吸收峰构成[5]。对常温下OFS-MP980型掺铒光纤提供的吸收系数曲线进行七个洛伦兹函数拟合，七个吸收峰的波长和带宽如表1所示。
得到七个洛伦兹线型的子吸收系数曲线如图2。
由于造成均匀加宽的谐振阻尼系数γ和粒子碰撞对同一能级的斯塔克能级影响接近，因此可以假设各子能级展宽具有相同比例。根据文献[5]的吸收系数测量曲线，从77 K升温至295 K，1 530 nm吸收峰的半波全宽增加约30%。假设这种增加比例恒定，即温度每上升100 ℃，半波全宽增加15%。得到不同温度条件下的吸收系数如图3所示。
1.2 温度与荧光寿命的理论建模
荧光寿命是掺铒光纤能级特性的另一个重要参数。在铝-锗-硅玻璃光纤中，实验研究表明在0～800 ℃范围内荧光寿命随温度呈线性下降[11]。但由于光纤掺杂、制造工艺等均会对荧光寿命产生很大影响[12-13]，因此需要从吸收系数和样品参数出发建立荧光寿命与温度关系模型。
荧光寿命定义为关闭泵浦光源后，发射光强下降至1/e所用时间。根据Fuchtbauer-Ladenberg分析，荧光寿命可通过发射截面积分计算得到
其中n为光纤折射率，c为真空光速，σe(ν)为发射截面。
McCumber理论通过吸收截面计算发射截面，研究表明该方法计算得到的发射截面与实验
值吻合的很好，因此得到广泛应用[14]
式中σa(ν)为掺铒光纤的吸收截面，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，ε为温度T下激发铒离子所需的平均自由能，λp为荧光峰值波长，Z1/Z2为上下能级的配分函数，定义为上下能级(粒子数)的统计权重之比。配分函数在常温下一般假设Z1/Z2=g1/g2≈1。温度上升会造成从4I11/2到4I13/2能级的非辐射跃迁速率增加[6]，因此会造成配分函数的增加。
掺铒光纤的吸收截面与吸收系数通过式(6)建立关系
其中α(λ)为吸收系数，定义为波长λ的光通过单位长度光纤后光功率的下降。σa(λ)为吸收截面，Nd为铒离子的等效掺杂浓度，Γa为重叠积分因子。在单模掺铒光纤中，LP01基模可做高斯近似计算重叠积分因子空调控制系统
其中R为铒离子的等效掺杂半径，w为光斑半径，V为归一化频率，a为纤芯半径，NA为数值孔径，λ0为掺铒光纤的截止波长。
二维液相谱
将MP980铒光纤的参数和1.2节中不同温度下的吸收截面代入式(5)计算得到发射截面。并假设温度每上升200 ℃，配分函数增加0.15。将不同温度下吸收截面和配分函数代入式(4)
计算得到不同温度下的荧光寿命如图4所示，理论计算的荧光寿命变化在600 ℃以下与文献中实验结果趋势相吻合[10]。
理论模型的合理性需要通过实验进行验证。实验原理图如图5所示。利用980 nm泵浦激光器激发5 m掺铒光纤测量掺铒光纤发射谱。以1 550 nm波段的ASE和980 nm波段的SLD作为两个波段的宽带光源，利用光纤损耗系数测量国家标准中的插入损耗法测量掺铒光纤的吸收系数。
法兰锻造样品选用美国OFS公司生产的MP980型掺铒光纤。升温装置选用西格玛公司生产的高温炉，温度稳定性±2 ℃。温度实验系统图如图6所示。
试验中将掺铒光纤样品盘成半径8 cm的光纤环放放耐高温的大坩埚，并置于高温炉内。样品通过普通1550通信光纤和1060光纤引出高温炉并与测试光路相连接。从室温25 ℃开始连续升高温度，每50 ℃保温10 min，并用光谱仪记录相关光谱数据。
2.1 发射光谱
图7(a)为不同温度下5 m掺铒光纤样品在40 mW的980 nm激光泵浦下的ASE发射光谱。图7
(b)为采用积分法[15]计算发射光谱的平均波长和光谱带宽。
由图7(a)可知，随着温度升高，1 531 nm发射峰显著降低，温度超过600 ℃后发射光谱整体大幅下降。由图7(b)的平均波长和光谱带宽变化可知，温度在600 ℃一下条件下，发射光谱的平均波长和光谱带宽接近于线性变化。温度大于600 ℃时，掺铒光纤性能发生显著退化，这主要是因为掺铒光纤材料的玻璃态转变Tg在600～800 ℃范围内，当温度条件超过玻璃态转变温度后，玻璃材料基质发生变化，造成掺铒光纤性能快速退化。因此理论模型使用范围为常温至600 ℃。
2.2 吸收系数
立云购物商城测量样品B1，B2，C1和C2分别得到980 nm波段吸收系数如图8(a)所示，1 530 nm波段吸收系数如图8(b)所示。
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