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超强激光科学卓越创新简报

(第一百九十二期) 

2021年4月26日

上海光机所解析Yb3+/Al3+/P5+/F-共掺石英玻璃热致折射率变化机理

  近日,中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光单元技术实验室解析了热致Yb3+/Al3+/P5+/F-共掺石英玻璃折射率变化机理,并创新性地提出了一种后调制光纤光束质量的方法,相关研究成果正式发表于《美国陶瓷学会杂志》(Journal of the American Ceramic Society)。

  Yb3+/Al3+/P5+/F-共掺石英光纤(YbAPF)是高功率激光器中最重要的增益介质,数值孔径(NA)是决定光纤光束质量的关键参数。但在光纤制备过程中,光纤将经历一系列热过程,热历史的变化将导致纤芯和包层折射率变化量不同,进而引起NA升高,恶化光纤光束质量。但热致折射率变化机理尚未明确,亦无有效手段解决这一难题。

  研究团队以无应力YbAPF玻璃和Heraeus F300纯石英玻璃为探针,利用氢氧焰加热淬冷的方式模拟光纤拉丝过程,揭示了YbAPF光纤NA、结构与热历史的直接关系。核磁共振结果表明YbAPF玻璃热致折射率变化机理是AlPO4结构的形成和解聚,Si-O-Si网络结构的调整,而F300玻璃热致折射率变化仅来源于Si-O-Si网络结构调整,因此相同处理条件下,YbAPF玻璃折射率变化量更大,导致NA改变。基于上述机理,课题组创新性地提出了一种后调制光纤光束质量的方法,利用高温退火技术有效调控光纤数值孔径,大幅改善光纤光束质量。

  相关研究得到了国家自然科学基金,上海国际合作基金和上海杨帆计划的支持。

  原文链接

原始(a)和退火(b)大模场YbAPF光纤的截面图。原始(c)和退火(d)大模场YbAPF光纤的激光光斑

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