引用本文:

肖湘杰,卫广远,文建湘:基于高磁光效应Ce/Tb共掺光纤材料的光谱特性研究[J]. 光通信技术,2019,43(4):34-37.

基于高磁光效应Ce/Tb共掺光纤材料的光谱特性研究

肖湘杰1,卫广远1,文建湘2

(1.深圳太辰光通信股份有限公司,广州518040;2.上海大学 特种光纤与光接入网省部共建国家重点实验室,上海 200444)

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摘要:针对掺杂石英光纤的磁光效应比较弱的特点,采用溶胶-凝胶(sol-gel)方法分别制备Ce、Tb掺杂和Ce/Tb共掺光纤材料。在紫外光激发下,测试Ce、Tb单掺样品和Ce/Tb共掺样品的激发-发射光谱。然后,通过对比研究Tb掺杂材料和Ce/Tb共掺材料在542nm处对应的激发光谱,发现Ce和Tb离子之间存在明显的能量转移现象。实验结果表明:Ce离子共掺可以明显提高Tb离子的发光效率。最后,采用粉棒法制备了共掺石英光纤,为制备具有高磁光效应的掺杂磁光光纤奠定了重要的理论基础。

关键词:铈/铽共掺光纤材料;光谱特性;能量转移;溶胶-凝胶法

中图分类号:O482.55 文献标志码:文章编号:1002-5561(2019)04-0034-04

DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2019.04.007

0 引言
      基于法拉第电磁效应的全光纤电流传感器在过去30年里引起了科学界的广泛关注[1,2]。法拉第效应反映了材料在与入射光束平行的磁场中将线性偏振光的偏振面旋转一定角度的能力。材料的磁光(magneto-optical,MO)性能通常由费尔德常数VB描述[3]。相比于传统的电流传感器,全光纤电流传感器有很多的优点[4,5],例如:由于是全光传感,加上石英光纤本身的抗电磁干扰特性,全光纤电流传感器可以方便地应用于复杂的电磁干扰环境。但是,全光纤电流传感器会因为线性双折射效应抑制测量信号,导致传感器灵敏度降低。对单模光纤来说,由于传感光纤的长度一般在几十到几百米之间,很容易受到弯曲和应力产生的线性双折射的影响,导致单模光纤的费尔德常数仅为1μrad/A(@1300nm)[6]。
      目前,一般通过稀土离子掺杂来提高光纤费尔德常数,可以使光纤长度明显缩短;同时,也利于光纤电流传感器的集成[7]。在光纤纤芯掺杂铽(Terbium,Tb)离子可以有效提高光纤的费尔德常数,在1064nm处可以达到40μrad/A[8]。这主要是因为Tb离子4f8→4f75d8,9的电子跃迁,使得Tb在所有稀土元素中具有最高的顺磁化率(J=6,g=1.46)和最大的磁矩(9.5~9.72,μeff),结合偏正光检测表征方式,可以实现光纤在磁场传感领域的应用[9]。另外,也有文献报道,在Tb掺杂材料中共掺入铈(Cerium,Ce)离子也可以提高材料费尔德常数[10,11]。
      因此,本文提出采用粉棒法结合溶胶-凝胶(sol-gel)工艺制备Ce/Tb共掺石英玻璃光纤。结合Tb掺杂及Ce/Tb共掺的石英光纤材料的荧光光谱特性,分析元素间的能量转移现象。

5 结束语
      本文采用sol-gel的方法分别制备Ce、Tb掺杂和Ce/Tb共掺光纤材料,测试分析了样品的激发-发射光谱。对Ce掺杂和Tb掺杂光纤样品的特征峰进行了理论分析。通过对比Tb掺杂和Ce/Tb共掺材料的激发发射谱,可以明显地发现Ce离子向Tb离子的能量转移现象。同时,利用Ce的特征激发峰,也可以获得Tb的特征发射谱,这也进一步验证了Ce离子向Tb离子进行能量转移的过程。然后,采用粉棒法的方式,成功制备出了Ce/Tb共掺石英光纤。本文的研究成果对后期设计和制备掺杂磁光光纤提供了坚实的理论基础,下一步将优化Ce/Tb共掺玻璃光纤的制备工艺,制备出具有高磁光效应的Ce/Tb共掺玻璃光纤,更好地应用于大电流光纤传感器。