多激光染料共摻介孔玻璃：新型寬調(diào)諧多波長發(fā)光材料

本項目研究了運用新型溶膠凝膠合成介孔磷酸鋁玻璃，并通過浸漬法復(fù)合多波長激光染料，研究其寬調(diào)諧的發(fā)光性質(zhì)，結(jié)合高分辨率的固態(tài)核磁共振，分析染料跟固體玻璃網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合狀態(tài)，解析染料在孔中的分布狀態(tài)。主要涵蓋三個部分的工作：1）香豆素染料復(fù)合介孔磷酸鋁玻璃的藍光發(fā)光性質(zhì)研究。通過不同濃度的香豆素摻雜，研究其發(fā)光性質(zhì)和穩(wěn)定性，實現(xiàn)高濃度的染料固化和發(fā)光；2）羅丹明6G染料復(fù)合介孔磷酸鋁玻璃的紅光發(fā)光性質(zhì)研究。通過不同浸漬時間的發(fā)光研究，結(jié)合高分辨固態(tài)核磁共振Al和P的單共振和雙共振技術(shù)研究染料和玻璃的相互作用，分析其化學(xué)鍵合作用；3）基于上述兩種染料的發(fā)光研究，進行優(yōu)化摻雜，同時實現(xiàn)兩種染料的共同復(fù)合，實現(xiàn)寬調(diào)諧發(fā)光。

面向激光和先進光學(xué)應(yīng)用，尤其是面向未來全光網(wǎng)絡(luò)光通訊的動態(tài)波長分配和新型白光光源的開發(fā)，基于微介孔材料共摻雜多種特定的激光染料是【Nature 2010】是實現(xiàn)寬調(diào)諧多波長發(fā)射的最有效方法之一，有望突破染料激光難以實現(xiàn)高效率、高穩(wěn)定性、超寬調(diào)諧 瓶頸。本項目擬以我們近年發(fā)展的新型介孔磷酸鋁玻璃和薄膜作為載體，運用分步浸漬法以及單步合成法，制備多種特定激光染料共組裝（濃度可控）的新型固體激光染料介質(zhì)。運用先進固態(tài)NMR等多種結(jié)構(gòu)分析手段研究相關(guān)激光染料與介孔玻璃載體間的相互作用－物理吸附/化學(xué)鍵合，系統(tǒng)研究介孔結(jié)構(gòu)、染料浸染和固化參數(shù)（溶劑、溫度、時間、pH值）等對激光染料摻雜和發(fā)光性能影響，優(yōu)化多激光染料共摻雜AlPO4介孔玻璃和薄膜制備方案，實現(xiàn)多種不同波長激光染料的可控濃度、致密（化學(xué)鍵合）、低團聚組裝，發(fā)展高效、高穩(wěn)定性的寬調(diào)諧多波長熒光發(fā)射的新型固體染料載體。

與單芯光纖激光器相比多芯光纖激光器有著更大的有效模場面積,有利于提高光束的輸出功率。多芯光纖激光器因各個纖芯之間互相稱合直接形成超模傳導(dǎo)因為各個纖芯之間的距離已定,所以纖芯之間的相位差已經(jīng)鎖定,同時纖芯之間的離散分布有利于` 響I。多芯光纖的出現(xiàn)為高功率激光輸出光纖激光器的實現(xiàn)提供又一種可能。因為多芯光纖激光器具備其它光纖難以比擬的獨特優(yōu)勢,國外很多知名研究機構(gòu)展開了大量的理論和試驗研究,例如美國Arizona大學(xué)、PC Photonics、英國QinctiQ和俄羅斯Troitsk新技術(shù)研究中心等。已有大量關(guān)于7芯、19芯、37芯等不同纖芯數(shù)目和不同結(jié)構(gòu)的多芯光纖激光器研究報道。

2001年,P.K.Cheo等人報道了七芯光纖激光鎖相輸出的詳細情況。整個光纖的光束質(zhì)量較好,其中輸出總功率超過5 同相超模數(shù)值孔徑NA為0.15,光束質(zhì)量因子M2<1.2,斜效率為65.2%,遠場中央主瓣功率超過總功率的80%[31]。2004年,Cheo等人對19芯光纖進行試驗,輸出功率超過100 W,遠場光束質(zhì)量因子為M2為1.5,這個值接近同相超模光束質(zhì)量理論值。

2005年,L.MichaiUe等人對六芯光子晶體光纖進行試驗,實現(xiàn)激光的鎖相輸出,其斜效率為649^,合成光束遠場發(fā)散角小于衍射極限的1.1倍左右。2006年,Michaille等人又對18芯光子晶體光纖進行試驗,實現(xiàn)激光的鎖相輸出,具體數(shù)值為平均功率65 W,斜效率為46%,合成光束場發(fā)散角是衍射極限的1.2倍左右。并且通過實驗驗證了激光器效率隨纖芯數(shù)目增多而降低。

Y.HUO等人主要對多芯光纖激光器理論知識方面進行研究,給出了人們研究多芯光纖激光器方面的理論指導(dǎo),并對其激光輸出建立了完整的理論模型。通過大量試驗及仿真證明激光器的光光轉(zhuǎn)換效率將隨著纖芯數(shù)目的增多而降低,比如說7芯光纖的轉(zhuǎn)換效率為70%,而19芯光纖的光光轉(zhuǎn)換效率則只有50%。Cheo等建立的稱合模理論還表明合成光束質(zhì)量將隨纖芯的增多、輸出功率的提高而下降。國內(nèi)的光纖激光器技術(shù)有著很快的發(fā)展,如北京交通大學(xué)、天津大學(xué)、國防科技大學(xué)等科研機構(gòu)和大學(xué)已經(jīng) 展了關(guān)于多芯光纖激光器的研究,并取得一定成果,但總體來說還處于探索階段。

光纖結(jié)構(gòu)的不同決定了多芯光纖輸出不同的超模,多芯光纖超模模場分布和傳輸特性是多芯光纖研究和應(yīng)用中最重要的問題。關(guān)于多芯光纖的超模模場分布的研究及理論分析已經(jīng)有大量文獻分析過,分析結(jié)果表明多芯光纖的輸出模式是含有多個超級模式的混合模。

最常釆用的分析多芯光纖激光器的不同模式的理論是耦合模理論(Coupled, mode theory, CMT) 親合模理論可以對纖芯之間的親合過程進行解析的模擬仿真。如果多芯光纖各纖芯之間的親合較強的話,可以用多模干涉法(Multimode Interference,對其進行分析。另外常用的有限元分析法(Finite element method, FEM)求解多芯光纖中傳導(dǎo)的超?？梢垣@得很髙的精確度,。此外還有基于有限差分光束傳輸法(Beam propagationmetllod, 的數(shù)譚方法吾模理論具有可行性和精確性等優(yōu)點,適用于分析多芯的光纖結(jié)構(gòu),前面已經(jīng)提到過它一般只適用于弱稱合的情形,如果配合使用矢量親合模理論(VCMT)可以獲得更高精度的求解結(jié)果。已有可以模擬多芯光纖模場分布的軟件Cortisol、Rsoft、BeamPROP等,這些軟件可直接用來進行多芯光纖中模式傳導(dǎo)的模擬。.