发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤

1.本发明涉及玻璃光纤领域，特别是一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤。


背景技术：

2.基于超短脉冲光源构建的双光子荧光显微镜是近年来在生命科学领域中得到迅速发展与应用的成像手段，它利用荧光标记物同时吸收两个激发光子产生的可见荧光，实现对携带标记物的神经元、血管等生物组织的可视化观察。因吸收过程依赖于激发光强的二次方，仅有激光焦点区域会发生双光子吸收释放出荧光，使该技术具有高的成像分辨率；产生的光毒性也仅在焦点区域，光毒性小，适合长期成像。由于常用的主要荧光标记物为增强型绿色荧光蛋白，其在920nm激发下具有最大双光子发射截面，基于920nm超短脉冲激发的双光子荧光显微镜具有高的成像信噪比，使得920nm超短脉冲成为目前双光子显微镜中的首选光源。
3.目前920nm超短脉冲激光器主要包括两大类，即基于钛宝石的固体激光器和光纤激光器。尽管钛宝石飞秒激光器具有波长调谐宽、输出功率高、脉宽窄等优点，但其体积大、对运行环境要求高，在高度集成的双光子荧光显微镜中应用受限。相比之下，光纤激光器具有体积小、免维护、易于集成的优势。其中，由于nd
3+
离子三能级(4f
3/2-4i9/2
)跃迁产生的荧光带覆盖900-950nm，基于nd
3+
掺杂光纤可直接获得920nm超短脉冲；相较于利用其他波段光纤激光器(例如铥掺杂光纤1840nm波段超短脉冲倍频到920nm)结合非线性频率转换的技术方案，920nm掺nd
3+
光纤超短脉冲激光器在稳定性、紧凑性方面更具优势。
4.然而，现有nd
3+
掺杂光纤高增益区间集中在四能级1μm波段(1040～1080nm)，920nm激光为三能级结构，运转时与四能级之间存在激烈增益竞争且处于劣势。在获取920nm锁模超短脉冲时，1μm波段的自发辐射噪声阻碍锁模的自启动。为抑制1μm自发辐射噪声，现有抑制技术主要是在激光光路中引入1μm滤波器件(cn 114421271 a)，但面临一定的缺点。其中，1μm滤波器件的引入显著提升光路复杂性，降低激光器的稳定性且不利于激光器的小型化。同时，光路中的滤波元件无可避免的增加谐振腔腔长，限制920nm超短脉冲重复频率的提升(脉冲重复频率与激光腔长成反比关系)。


技术实现要素：

5.为克服上述现有方案的缺点与不足，本发明提供了一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤，通过在光纤包层中掺杂在1μm处有吸收的pr
3+
离子，提高光纤1μm的传输损耗(≥2db/cm)，从而抑制纤芯中nd
3+
离子相应波段的自发辐射，使得光纤的发射峰集中在920nm。基于该光纤可实现易自启动的920nm锁模超短脉冲输出，由于无需任何滤波器件，激光谐振腔可以缩短至厘米量级、重复频率可达吉赫兹(ghz)。同时，该光纤具有结构简单，制备方便等优点。
6.本发明的目的通过以下技术方案实现：
7.一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤，单模光纤纤芯为nd
3+
掺杂硅酸盐玻璃，包层为pr
3+
掺杂硅酸盐玻璃，所述的纤芯在1μm的传输损耗≥2db/cm。
8.进一步地，所述纤芯和包层中的硅酸盐玻璃均包括：sio2、cao、k2o、na2o组分。
9.进一步地，硅酸盐中各氧化物的质量百分比为：(8～12％)cao、(6～8％)k2o、(5～7％)na2o，剩余为sio2。
10.进一步地，纤芯硅酸盐玻璃掺杂质量百分比为0.1wt％～4.5wt％的nd2o3，包层硅酸盐玻璃掺杂质量百分比为0.1wt％～6wt％的pr6o
11
。
11.进一步地，光纤纤芯与包层的折射率差在0.001～0.015之间，纤芯的直径为3～30μm之间。
12.进一步地，单模光纤的截止波长在0.8μm，光纤在1μm的损耗≥2db/cm。
13.进一步地，以此单模光纤为增益介质，可以实现基频重复频率达ghz量级的自启动920nm锁模脉冲激光输出。
14.与现有技术相比较，本发明的有益效果：
15.通过向掺nd
3+
硅酸盐光纤的包层中掺杂pr
3+
离子，利用pr
3+
离子的吸收提高纤芯1μm的传输损耗(≥2db/cm)，从而抑制nd
3+
离子的1μm自发辐射，使得光纤的发射主峰位于920nm。
16.在基于该光纤获得920nm超短脉冲时，光路中无需额外引入滤波器件即可去除1μm自发辐射噪声，实现920nm锁模超短脉冲的自启动且激光具有高的信噪比。同时，由于不需滤波元件，光路复杂度显著减低，腔长可大幅缩短使超短脉冲的基频重复频率达到ghz量级。
附图说明
17.图1为本发明实施例1#中的光纤端面图。
18.图2为本发明实施例1#中的920nm锁模激光光谱图。
19.图3为本发明实施例1#中的920nm脉冲序列。
具体实施方式
20.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
21.实施例1
22.本实施例为一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤，光纤端面如图1所示，纤芯为nd
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为10cao-6k2o-5na2o-77.8sio
2-1.2nd2o3，包层为pr
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为8cao-8k2o-7na2o-74sio
2-3pr6o
11
。所述的多组分硅酸盐玻璃均采用熔融淬冷法制备。纤芯及包层通过机械加工后，经过酸处理、清洗、干燥后将其组合成光纤预制棒，采用管棒法拉制得到所述的光纤。光纤纤芯直径4μm，纤芯与包层折射率差为0.006，光纤纤芯在1μm的传输损耗为2.2db/cm。以10.4厘米该单模光纤为增益介质，采用典型f-p型锁模腔结构，通过
单模808nm半导体激光器泵浦，以半导体可饱和吸收体为锁模元件，二色膜(808nm透过率为99.8％，920nm反射率为96.5％)为输出镜，可实现自启动920nm锁模脉冲激光输出，激光光谱如图2所示，峰值处在920nm。由于不需额外1μm滤波器件，谐振腔腔长约等于增益光纤长度，处于厘米量级。图3为重频频率为的脉冲序列，相邻脉冲间隔为1.052纳秒(ns)，基频重复频率为952兆赫兹(mhz)。
23.实施例2
24.本实施例为一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤，纤芯为nd
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为11cao-6k2o-7na2o-75.9sio
2-0.1nd2o3，包层为pr
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为8cao-8k2o-5na2o-78.9sio
2-0.1pr6o
11
。所述的多组分硅酸盐玻璃均采用熔融淬冷法制备。纤芯及包层通过机械加工后，经过酸处理、清洗、干燥后将其组合成光纤预制棒，采用管棒法拉制得到所述的光纤。光纤纤芯直径30μm，纤芯与包层折射率差为0.001，光纤纤芯在1μm的传输损耗为2db/cm。以6.3厘米该单模光纤为增益介质，采用典型f-p型锁模腔结构，通过单模808nm半导体激光器泵浦，以半导体可饱和吸收体为锁模元件，二色膜(808nm透过率为99.8％，920nm反射率为96.5％)为输出镜，可实现自启动920nm锁模脉冲激光输出。由于不需额外1μm滤波器件，谐振腔腔长约等于增益光纤长度(6.3cm)，处于厘米量级。直接输出的脉冲基频重复频率为1.55吉赫兹(ghz)，相邻脉冲间隔为648皮秒(ps)。
25.实施例3
26.本实施例为一种发射波长处于920nm的稀土掺杂硅酸盐玻璃单模光纤，纤芯为nd
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为12cao-6k2o-5na2o-72.5sio
2-4.5nd2o3，包层为pr
3+
掺杂硅酸盐玻璃，按质量百分比，其氧化物组分为8cao-8k2o-7na2o-71sio
2-6pr6o
11
。所述的多组分硅酸盐玻璃均采用熔融淬冷法制备。纤芯及包层通过机械加工后，经过酸处理、清洗、干燥后将其组合成光纤预制棒，采用管棒法拉制得到所述的光纤。光纤纤芯直径3μm，纤芯与包层折射率差为0.015，纤芯在1μm的传输损耗为3.6db/cm。以4.2厘米该单模光纤为增益介质，采用典型f-p型锁模腔结构，通过单模808nm半导体激光器泵浦，以半导体可饱和吸收体为锁模元件，二色膜(808nm透过率为99.8％，920nm反射率为96.5％)为输出镜，可实现自启动920nm锁模脉冲激光输出。由于不需额外1μm滤波器件，谐振腔腔长约等于增益光纤长度(9.4cm)，处于厘米量级。直接输出的脉冲基频重复频率为1.05吉赫兹(ghz)，相邻脉冲间隔为0.952纳秒(ns)。