Tm3+/Ho3+ profilé co

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13963 (2023) Citer cet article

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Une fibre optique à double gaine avec un profil de noyau multi-anneaux dopé au thulium et à l'holmium fabriquée par la technologie de dopage chélaté par dépôt chimique en phase vapeur modifiée (MCVD-CDT) est présentée. Les concentrations pondérales des complexes Tm2O3 et Ho2O3 mesurées étaient respectivement de 0,5 % et 0,2 %. Les analyses numériques montrent des conditions faiblement directrices et 42,2 µm de MFD LP01 à 2000 nm. La faible ouverture numérique NA (NA = 0,054) a été obtenue pour la construction de fibre optique à rapport cœur/gaine de 20/250 µm. Les spectres d'émission compris entre 1,6 et 2,1 µm en fonction de la longueur de la fibre sont présentés. La largeur totale à mi-hauteur (FWHM) diminue de 318 à 270 nm pour des longueurs de fibre de 2 à 10 m. La conception de fibre présentée présente un intérêt pour le développement de nouvelles constructions de fibres optiques fonctionnant dans la plage spectrale sans danger pour les yeux.

Actuellement, on observe des progrès rapides dans le domaine des sources de rayonnement optique basées sur des structures à fibres optiques. Les lasers à fibre et les sources d'émission spontanée amplifiée (ASE) sont les plus connus. Parmi les différentes plages spectrales du rayonnement optique, la plage de sécurité oculaire (au-dessus de 1,4 µm) est particulièrement intéressante pour de nombreuses applications dans les domaines de la médecine, de la météorologie, de l'armée, de la fabrication et des systèmes de détection1,2,3,4,5,6,7. Les lasers fonctionnant dans la plage spectrale de 1,7 à 2,1 µm sont utilisés dans le traitement précis des matériaux (y compris la découpe, le perçage, la gravure et la modification de surface), les applications médicales (chirurgie), la télédétection (surveillance atmosphérique), le LIDAR (cartographie aérienne), Recherche et développement (spectroscopie, optique non linéaire et optique quantique)8,9,10,11,12,13,14,15,16. Les sources ASE à large bande fonctionnant dans le proche infrarouge (NIR) sont couramment utilisées pour l'imagerie et la spectroscopie par tomographie par cohérence optique (OCT)17. La génération de rayonnement dans la structure de la fibre optique résulte de l’émission de rayonnement par des ions d’éléments des terres rares. Pour la gamme spectrale discutée, il s'agit généralement des ions Tm3+ et Ho3+. Ils permettent d'obtenir un large profil d'émission compris entre 1,7 et 2,1 µm (7.21). De plus, il est possible de modifier le profil d'émission grâce à l'utilisation de phénomènes tels que la co-émission, le transfert d'énergie et la relaxation croisée18. Parfois, un dopage avec des ions Yb3 + est également utilisé, qui agit comme un sensibilisateur, permettant l'utilisation de diodes laser populaires dans la gamme 980 nm pour exciter l'holmium. Les transitions Tm3 + : 3F4 → 3H6 (environ 1,8 µm) et Ho3 + : 5I7 → 5I8 (environ 2,0 µm) sont responsables de l'émission dans la région spectrale étudiée. Typiquement, dans le système co-dopé Tm3 + -Ho3 +, les ions Ho3 + sont excités en utilisant le transfert d'énergie des sensibilisateurs Tm3 + (sauf à 800 nm) ou Yb3 + (sauf à 980 nm)19,20,21,22 . Un aspect de recherche intéressant concerne les fibres optiques à émission latérale et celles dans lesquelles le rayonnement est généré à l'aide de phénomènes de conversion ascendante. Cela permet l’émission d’un spectre de longueur d’onde plus court que le rayonnement d’excitation en utilisant le mécanisme d’absorption multiphotonique23,24. La technologie couramment utilisée pour la fabrication de fibres optiques actives (dopées avec des ions lanthanides) est le dépôt chimique en phase vapeur modifié (MCVD) avec la technique de dopage en solution (SDT) et la technologie de dopage par chélate (CDT) 28. En fait, certains défis et limites du SDT (dopage stabilité de la distribution, petit diamètre de noyau et processus de production de préformes en plusieurs étapes) sont à l'origine du développement intensif de la technologie CDT pour la production de fibres actives. MCVD-CDT permet la production de préformes avec un grand diamètre de noyau avec un meilleur contrôle des paramètres du processus et une répétabilité élevée25,26,27,28. Le développement de nouvelles sources haut débit monomodes et de forte puissance reste très attractif pour l’industrie et la recherche scientifique. Parmi les constructions de fibres optiques, les fibres monomodes à large zone de mode (fibres Large Mode Area) attirent sans aucun doute le plus l'attention29,30,31. Leurs propriétés de propagation (niveau plus faible de densité de puissance optique, réduction de l'effet de photoassombrissement et forme de faisceau bien définie avec un champ de mode large). Le paramètre clé est la largeur du champ de mode dans ces fibres (Mode Field Diameter, MFD), qui, contrairement aux conceptions de fibres classiques, est nettement plus grande et conduit au fait que la zone de mode effective peut être même 100 fois plus grande (jusqu'à 1 000 µm2). ) pour les fibres LMA32,33,34,35. Les fibres LMA commerciales ont une largeur de champ de mode de 22,4 µm (LMA-TDF-25P/250-HE, Nufern) ou 21,5 µm (LMA-YDF-30/250-HI-M +, Coherent). Les résultats de la recherche scientifique indiquent également la possibilité d'obtenir un champ de mode large (MFD = 35 µm) pour la fibre LMA avec une petite ouverture numérique NA = 0,028139. C'est pourquoi un aspect important de la recherche est le développement de nouvelles fibres optiques LMA actives avec un champ modal éventuellement large. Un tel profil peut être obtenu par une conception multi-anneaux du profil réfractif. De plus, ce type de répartition spatiale du dopant permet d'optimiser le profil de luminescence à travers les phénomènes de co-émission et de transfert d'énergie des terres rares36,37,38,39,40,41,42,43. Dans le cas décrit, des couches alternées de multi-anneaux Tm3+/Tm3+Ho3+ ont été utilisées à cette fin. L'objectif était d'obtenir une fibre avec un champ de mode large et un profil plat d'émission à large bande obtenu grâce à la génération de rayonnement (Tm3 + /Tm3 + Ho3 +) dans la structure de la fibre développée. La faible ouverture numérique (faible ∆n) dans la construction à couches actives multiples du cœur de fibre assure un faible guidage du mode fondamental dans le grand cœur (LMA). La composition des couches Tm3 + et Tm3 + Ho3 + a été utilisée pour obtenir un profil plat à large bande et lisse du spectre dans la fibre fabriquée.