稀土掺杂石英光纤及应用

　　本书以中国科学院上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员团队多年来的研究积累和相关创新成果为素材，对其进行梳理总结，内容涉及稀土掺杂石英玻璃及光纤的发展历史、成分、结构、性质、制备工艺及其应用等。全书综合国内外同行的研究报告，把稀土掺杂石英玻璃及光纤的最新研究成果全面、系统地介绍给读者。全书共计9章，第1章系统介绍石英玻璃的结构和性质;第2章阐述掺镱石英玻璃的性质和结构，解析镱离子局域结构与镱离子光谱性质的关联性;第3章阐述稀土掺杂石英光纤的制备方法和性能表征方法;第4、第5章分别介绍掺镱包层结构和大模场微结构光纤的特点及应用;第6、第7章分别介绍1.5μm波段掺铒石英光纤以及2μm波段掺铥、钬石英光纤的最新研究进展及应用;第8章介绍掺钕石英光纤的研究进展，着重阐述最新的0.9μm波段的激光应用进展;第9章面向空间环境光纤激光器的应用需求，阐述耐辐照稀土掺杂石英光纤的制备及应用技术进展。 本书是国内首部系统介绍稀土掺杂石英玻璃及光纤的专业性图书：一方面突出应用导向的基础研究，具有原创性、前沿性和引领性;另一方面创作团队科研实力突出，胡丽丽研究员和团队长期从事激光玻璃、激光光纤基础研究及其制备技术研发，在稀土掺杂石英玻璃及光纤研究领域取得了大量创新性成果，为国产高功率光纤激光器提供了核心元件支撑，相关指标或国内领先或优于国外同类产品，打破了国外长期的技术封锁与垄断。因而本书学术价值较高，社会效益巨大。

　　胡丽丽，女，中共党员，工学博士。现任中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、博士生导师，中国硅酸盐学会特种玻璃分会理事长，上海市稀土学会副理事长，上海市硅酸盐学会副理事长。长期从事发光和激光玻璃及特种光纤研究。主要研究领域包括玻璃成分、发光性能与结构关系、掺稀土石英玻璃及光纤发光和激光性能、新型激光玻璃、大尺寸激光钕玻璃制备工艺技术。 承担过包括国家自然科学基金、863计划、中国科学院重要方向性项目、国家重大科技专项在内的多项科研项目。领导团队成功开发了新型低非线性N41型磷酸盐激光钕玻璃、激光铒玻璃、大尺寸磷酸盐激光钕玻璃的连续熔炼成套工艺技术和装备，自主研发了我国神光系列装置的全部大尺寸激光钕玻璃，满足国家重大战略需求。作为第一完成人带领团队获得上海市2016年度技术发明奖特等奖一项、2017年度国家技术发明奖二等奖一项。本人及与他人合作发表SCI期刊论文455篇，授权专利48项。主持撰写专著1部（《激光玻璃及应用》），参与编写专著1部（《光子学玻璃及应用》）。获评2000年度全国先进女职工；获2000年度上海市杰出职业女性称号；2005年度获“中国科学院第二届十大杰出妇女”荣誉称号；获2017年度全国三八红旗手称号。2007、2012、2017年分别当选为上海市第十三、十四、十五届人大代表。2019年度当选第十六届上海市科技精英。

第1章 石英玻璃和稀土掺杂石英光纤
1.1 石英玻璃的形成和种类 1
1.1.1 石英玻璃的形成
1 1.1.2 石英玻璃的种类 3
1.2 石英玻璃的结构 4
1.3 石英玻璃的热学性质 12
1.3.1 玻璃转变温度 12
1.3.2 热膨胀系数 13
1.3.3 黏度 14
1.3.4 热导率 16
1.3.5 析晶 17
1.4 石英玻璃的力学性质 18
1.5 石英玻璃的光学性质 21
1.5.1 折射率和色散 21
1.5.2 吸收和透过光谱 26
1.5.3 散射和损耗 27
1.5.4 石英玻璃的光弹性系数 28
1.6 石英玻璃的耐辐照性质 29
1.6.1 石英玻璃的辐照效应 29
1.6.2 耐宇宙射线辐照 31
1.6.3 抗脉冲激光损伤 33
1.7 稀土掺杂石英光纤 36
1.7.1 稀土离子的发光性质 36
1.7.2 稀土掺杂石英光纤的发展 38
参考文献 41
第2章 掺镱石英玻璃的性质与结构
2.1 镱离子的能级结构及其光谱性质 45
2.1.1 镱离子的能级 45
2.1.2 镶离子的光谱性质 46
2.1.3 镱离子的光谱理论计算 48
2.2 掺镱石英玻璃成分-结构-性质之间的关系 49
2.2.1 掺镱石英玻璃的制备 49
2.2.2 共掺元素对掺镱石英玻璃物理性质的影响 50
2.2.3 共掺元素对掺镱石英玻璃光谱性质的影响 52
2.2.4 共掺元素对石英玻璃网络结构和Yb3+局域结构的影响 62
2.3 掺镱石英玻璃热历史-结构-性质之间的关系 78
2.3.1 热历史对掺镱石英玻璃结构和折射率的影响 78
2.3.2 热历史对掺镱石英玻璃光谱性质的影响 97
参考文献 105
第3章 稀土掺杂石英光纤的制备及性能表征
3.1 化学气相沉积法制备稀土掺杂石英光纤预制棒 112
3.1.1 改进的化学气相沉积法 112
3.1.2 外部气相沉积法和轴向气相沉积法 122
3.1.3 直接的纳米颗粒沉积法 122
3.2 非化学气相沉积法制备稀土掺杂石英光纤预制棒 123
3.2.1 多孔玻璃分相法 123
3.2.2 活性粉末烧结法 125
3.2.3 溶胶凝胶法结合高温烧结技术 128
3.2.4 其他非MCVD制备技术 134
3.3 稀土掺杂石英光纤的拉制和性能表征 136
3.3.1 稀土掺杂石英光纤的拉制 136
3.3.2 稀土掺杂石英光纤的性能表征 139
参考文献 143
第4章 掺镱大模场包层结构石英光纤及应用
4.1 掺镱大模场包层光纤的结构和特性 146
4.1.1 双包层结构光纤 147
4.1.2 内包层形状对光纤性能的影响 148
4.1.3 多包层光纤结构 149
4.1.4 新型结构掺镱大模场包层光纤 151
4.2 影响掺镱大模场包层光纤性能的主要因素 163
4.2.1 纤芯组分 163
4.2.2 非线性效应 165
4.2.3 光子暗化效应 165
4.2.4 模式不稳定性 166
4.2.5 光纤涂覆层可靠性 167
4.2.6 温升对掺镱光纤的影响 167
4.3 掺镱大模场包层光纤的组分设计原则 169
4.4 掺镱大模场包层光纤的光学设计 170
4.4.1 千瓦级掺镱大模场光纤纤芯折射率分布设计 171
4.4.2 万瓦级高亮度光纤纤芯折射率分布设计 172
4.4.3 万瓦级多模光纤纤芯折射率分布设计 174
4.5 掺镱大模场包层光纤的重要应用 175
4.5.1 掺镱大模场光纤在高功率窄线宽光纤激光器方面的应用 175
4.5.2 掺镱大模场光纤在1018nm激光器方面的应用 181
4.5.3 掺镱大模场光纤在980nm光纤激光器方面的应用 182
4.5.4 掺镱大模场光纤在工业激光器领域的应用 182
参考文献 186
第5章 掺镱大模场石英光子晶体光纤及应用
5.1 掺镱大模场石英光子晶体光纤分类及其研究进展 192
5.1.1 掺镱大模场光子晶体光纤的分类 192
5.1.2 掺镱大模场光子晶体光纤的研究进展 195
5.2 掺镱大模场光子晶体光纤的制备与性能 198
5.2.1 光纤制备 198
5.2.2 光纤性能 205
5.3 空气孔结构掺镱大模场光子晶体光纤的处理 214
5.3.1 端面处理 214
5.3.2 光纤耦合 217
5.3.3 端面损伤 220
5.4 掺镱大模场光子晶体光纤的激光性能及应用 221
5.4.1 空气孔结构大模场光子晶体光纤的激光性能 221
5.4.2 全固态掺镱光子晶体光纤的激光特性 229
5.4.3 掺镱大模场光子晶体光纤的应用 234
参考文献 237
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