Tm3+/Ho3+ プロファイルの共同

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13963 (2023) この記事を引用

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改良化学蒸着キレートドーピング技術 (MCVD-CDT) によって製造された、ツリウムとホルミウムがドープされたマルチリングコアプロファイルを備えたダブルクラッド光ファイバを紹介します。 測定された Tm2O3 および Ho2O3 複合体の重量濃度は、それぞれ 0.5% および 0.2% でした。 数値解析により、弱いガイド条件と 2000 nm での MFD LP01 の 42.2 μm が示されました。 コア/クラッド比 20/250 μm の光ファイバー構造では、低い NA 開口数 (NA = 0.054) が得られました。 1.6 ～ 2.1 μm の範囲の発光スペクトルとファイバー長の関係が示されています。 半値全幅 (FWHM) は、ファイバ長が 2 ～ 10 m の場合、318 nm から 270 nm に減少します。 提示されたファイバー設計は、目に安全なスペクトル範囲で動作する新しい構造の光ファイバーの開発にとって興味深いものです。

現在、光ファイバー構造に基づく光放射源の分野では急速な進歩が見られます。 それらの中でよく知られているのは、ファイバー レーザーと増幅自然放出 (ASE) 光源です。 光放射のさまざまなスペクトル範囲の中でも、目に安全な範囲 (1.4 μm 以上) は、医学、気象学、軍事、製造、検出システムなどの数多くの用途にとって特に魅力的です 1、2、3、4、5、6、7。 1.7 ～ 2.1 µm のスペクトル範囲で動作するレーザーは、精密な材料加工 (切断、穴あけ、彫刻、表面改質など)、医療用途 (手術)、リモート センシング (大気モニタリング)、LIDAR (航空マッピング)、研究開発（分光法、非線形光学、量子光学）8,9,10,11,12,13,14,15,16。 近赤外 (NIR) で動作する広帯域 ASE 光源は、光コヒーレンス断層撮影 (OCT) イメージングと分光法に一般的に使用されます17。 光ファイバーの構造内での放射線の発生は、希土類元素のイオンによる放射線の放出の結果として発生します。 議論されているスペクトル範囲では、これらは通常 Tm3 + および Ho3 + イオンです。 1.7 ～ 2.1 μm (7.21) の範囲で幅広い発光プロファイルを取得できます。 さらに、共発光、エネルギー移動、交差緩和などの現象を利用して発光プロファイルを変更することも可能です18。 場合によっては、Yb3 + イオンによるドーピングも使用されます。これは増感剤として機能し、ホルミウムを励起するために 980 nm 範囲の一般的なレーザー ダイオードの使用を可能にします。 Tm3 + : 3F4 → 3H6 (約 1.8 μm) および Ho3 + : 5I7 → 5I8 (約 2.0 μm) の遷移が、調査されたスペクトル領域内の発光の原因となります。 通常、Tm3 + -Ho3 + 共ドープ系では、Tm3 + (800 nm を除く) または Yb3 + (980 nm を除く) 増感剤からのエネルギー移動を使用して Ho3 + イオンが励起されます 19,20,21,22 。 興味深い研究面は、側面放射を伴う光ファイバーと、アップコンバージョン現象を使用して放射が生成される光ファイバーです。 これにより、多光子吸収メカニズムを使用して励起放射線よりも短い波長スペクトルの放射が可能になります23、24。 活性（ランタニドイオンがドープされた）光ファイバーの製造に一般的に使用される技術は、溶液ドーピング技術（SDT）およびキレートドーピング技術（CDT）を使用した修正化学蒸着（MCVD）です28。実際、SDT（ドーパント）のいくつかの課題と制限は、分布安定性、小さなコア直径、およびプリフォーム製造の多段階プロセスなど）により、アクティブファイバー製造用に現在集中的に開発されている CDT 技術が開発されています。 MCVD-CDT により、プロセスパラメータをより適切に制御し、高い再現性を備えた大きなコア直径のプリフォームの製造が可能になります25、26、27、28。 新しいシングルモードおよび高出力ブロードバンド ソースの開発は、産業および科学研究にとって依然として非常に魅力的です。 光ファイバ構造の中で、広いモードエリアを備えたシングルモード ファイバ (ラージ モード エリア ファイバ) は間違いなく最も注目を集めています 29,30,31。 それらの伝播特性（より低いレベルの光パワー密度、フォトダークニング効果の低減、および広いモードフィールドを備えた明確なビーム形状）。 重要なパラメータは、このようなファイバのモード フィールド幅 (モード フィールド直径、MFD) です。これは、従来のファイバ設計とは異なり、大幅に大きく、有効モード面積が 100 倍 (最大 1000 µm2) も大きくなる可能性があります。 ) LMA ファイバー用 32、33、34、35。 市販の LMA ファイバーのモード フィールド幅は 22.4 µm (LMA-TDF-25P/250-HE、Nufern) または 21.5 µm (LMA-YDF-30/250-HI-M +、Coherent) です。 科学的研究の結果は、小さな開口数 NA = 0.028139 の LMA ファイバーで広いモードフィールド (MFD = 35 μm) が得られる可能性も示しています。 そのため、重要な研究側面は、おそらく広いモードフィールドを備えた新しいアクティブ LMA 光ファイバーの開発です。 このようなプロファイルは、屈折プロファイルのマルチリング設計によって取得できます。 さらに、ドーパントのこのタイプの空間分布により、希土類元素の共発光とエネルギー移動の現象を通じて発光プロファイルを最適化することが可能になります36、37、38、39、40、41、42、43。 記載のケースでは、この目的のために、多環 Tm3 + /Tm3 + Ho3 + の交互層が使用されました。 目的は、開発されたファイバの構造内での放射線生成 (Tm3 + /Tm3 + Ho3 +) の結果として得られる、広いモード フィールドと平坦な広帯域放射プロファイルを備えたファイバを得ることでした。 ファイバーコアの複数の活性層構造における低い開口数（低いΔn）により、ラージコア（LMA）での基本モードの弱い導波が保証されます。 Tm3 + 層と Tm3 + Ho3 + 層の組成を使用して、製造されたファイバーのスペクトルの広帯域で滑らかな平坦なプロファイルが得られました。