Co perfilado Tm3+/Ho3+

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13963 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

É apresentada fibra óptica de revestimento duplo com perfil de núcleo multi-anel dopado com túlio e hólmio fabricado pela Tecnologia de Dopagem de Quelato de Deposição Química de Vapor Modificada (MCVD-CDT). As concentrações em peso medidas dos complexos Tm2O3 e Ho2O3 foram de 0,5% e 0,2%, respectivamente. As análises numéricas mostram condições de orientação fraca e 42,2 µm de MFD LP01 a 2.000 nm. A abertura numérica baixa NA (NA = 0,054) foi obtida para a construção de fibra óptica com relação núcleo/revestimento de 20/250 µm. São apresentados os espectros de emissão na faixa de 1,6–2,1 µm versus o comprimento da fibra. A largura total na metade do máximo (FWHM) diminui de 318 para 270 nm para comprimentos de fibra de 2 a 10 m. O projeto de fibra apresentado é de interesse para o desenvolvimento de novas construções de fibras ópticas operando na faixa espectral segura para os olhos.

Atualmente, observa-se um rápido progresso no campo das fontes de radiação óptica baseadas em estruturas de fibra óptica. Bem conhecidos deles são os lasers de fibra e as fontes de emissão espontânea amplificada (ASE). Entre as diferentes faixas espectrais de radiação óptica, a faixa segura para os olhos (acima de 1,4 µm) é especialmente atraente para inúmeras aplicações em medicina, meteorologia, militar, fabricação e sistemas de detecção1,2,3,4,5,6,7. Os lasers operando na faixa espectral de 1,7–2,1 µm são usados ​​no processamento preciso de materiais (incluindo corte, perfuração, gravação e modificação de superfície), aplicações médicas (cirurgia), sensoriamento remoto (monitoramento atmosférico), LIDAR (mapeamento aéreo), Pesquisa e Desenvolvimento (espectroscopia, óptica não linear e óptica quântica)8,9,10,11,12,13,14,15,16. Fontes ASE de banda larga operando no infravermelho próximo (NIR) são comumente usadas para imagens e espectroscopia de tomografia de coerência óptica (OCT) . A geração de radiação na estrutura da fibra óptica surge como resultado da emissão de radiação por íons de elementos de terras raras. Para a faixa espectral discutida, estes são geralmente íons Tm3+ e Ho3+. Eles permitem a obtenção de um amplo perfil de emissão na faixa de 1,7–2,1 µm (7,21). Além disso, é possível alterar o perfil de emissão através da utilização de fenômenos como coemissão, transferência de energia e relaxamento cruzado18. Às vezes também é usada dopagem com íons Yb3+, que atua como um sensibilizador, possibilitando o uso de diodos laser populares na faixa de 980 nm para excitar o hólmio. As transições de Tm3 + : 3F4 → 3H6 (em torno de 1,8 µm) e Ho3 + : 5I7 → 5I8 (em torno de 2,0 µm) são responsáveis ​​pela emissão dentro da região espectral investigada. Normalmente, no sistema co-dopado Tm3 + -Ho3 +, os íons Ho3 + são excitados usando transferência de energia dos sensibilizadores Tm3 + (exc. ​​em 800 nm) ou Yb3 + (exc. ​​em 980 nm) . . Um aspecto interessante de pesquisa são as fibras ópticas com emissão lateral e aquelas nas quais a radiação é gerada por meio de fenômenos de conversão ascendente. Isso permite a emissão de um espectro de comprimento de onda menor que a radiação de excitação utilizando o mecanismo de absorção multifotônica . A tecnologia comumente usada para fabricação de fibras ópticas ativas (dopadas com íons lantanídeos) é a deposição química de vapor modificada (MCVD) com técnica de dopagem em solução (SDT) e tecnologia de dopagem quelato (CDT) 28. Na verdade, alguns desafios e limitações do SDT (dopante estabilidade de distribuição, pequeno diâmetro do núcleo e processo de vários estágios de produção de pré-formas) fazem com que a tecnologia CDT esteja atualmente sendo intensamente desenvolvida para a produção de fibras ativas. O MCVD-CDT permite a produção de pré-formas com grande diâmetro de núcleo com melhor controle dos parâmetros do processo e alta repetibilidade25,26,27,28. O desenvolvimento de novas fontes de banda larga monomodo e de alta potência ainda é muito atraente para a indústria e a investigação científica. Dentre as construções de fibras ópticas, as fibras monomodo com área modal ampla (fibras Large Mode Area) sem dúvida atraem mais atenção29,30,31. Suas propriedades de propagação (menor nível de densidade de potência óptica, redução do efeito de fotoescurecimento e formato de feixe bem definido com campo de modo amplo). O parâmetro chave é a largura do campo modal em tais fibras (Mode Field Diameter, MFD), que, ao contrário dos designs clássicos de fibra, é significativamente maior e leva ao fato de que a área modal efetiva pode ser até 100 vezes maior (até 1000 µm2 ) para fibras LMA32,33,34,35. As fibras LMA comerciais têm uma largura de campo modal de 22,4 µm (LMA-TDF-25P/250-HE, Nufern) ou 21,5 µm (LMA-YDF-30/250-HI-M +, Coherent). Os resultados da pesquisa científica também indicam a possibilidade de obtenção de um campo de modo amplo (MFD = 35 µm) para fibra LMA com pequena abertura numérica NA = 0,028139. É por isso que um aspecto importante da pesquisa é o desenvolvimento de novas fibras ópticas LMA ativas com um campo modal possivelmente amplo. Tal perfil pode ser obtido por um desenho de múltiplos anéis do perfil refrativo. Além disso, este tipo de distribuição espacial do dopante permite otimizar o perfil de luminescência através dos fenômenos de coemissão e transferência de energia de elementos de terras raras . No caso descrito, camadas alternadas de multi-anel Tm3 + /Tm3 + Ho3 + foram utilizadas para esse fim. O objetivo foi obter uma fibra com campo de modo amplo e perfil plano de emissão em banda larga obtido como resultado da geração de radiação (Tm3 + /Tm3 + Ho3 +) na estrutura da fibra desenvolvida. A baixa abertura numérica (baixo ∆n) na construção de múltiplas camadas ativas do núcleo de fibra garante uma orientação fraca do modo fundamental no núcleo grande (LMA). A composição das camadas Tm3+ e Tm3+Ho3+ foi utilizada para obter banda larga e perfil plano suave do espectro na fibra fabricada.