描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装-胶订是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787547860076
1.光纤激光器因具有结构紧凑、转换效率高、光束质量高、高可靠性、易操作维护、热管理方便等优点,已广泛应用于激光制造、医疗、国防和科学研究等领域。新结构稀土掺杂石英玻璃光纤日益成为推动光纤激光器发展的不可或缺的核心部件。
2.本书由中科院上海光学精密机械研究所胡丽丽研究员及其团队，以多年来的研究积累和相关创新成果为素材撰写而成, 为国内首部系统介绍稀土掺杂石英光纤及应用的专业图书。本书荣获“2022年度国家科学技术学术著作出版基金”资助出版。
3.本书主要特点在于: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;另一方面胡丽丽研究员团队科研实力突出，其长期从事激光玻璃、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。本书学术价值较高,社会效益巨大。
4.胡丽丽研究员团队率先在国内实现了高功率大模场掺镱石英光纤批量化应用的突破，取得了高功率大模场掺镱石英光纤国际先进的研究成果。该书将为国内该领域的学者和研究生、激光光纤和光纤激光器的技术人员提供重要学术参考。
5.本书精装、全彩、优质印制，集高端精品学术内容与精美装帧于一体。书中彩图丰富，展示稀土掺杂石英光纤及其研究应用的“多彩”“科学”世界。
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。
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
……
自1961年E. Snitzer首次提出光纤激光器的概念以来，光纤激光器经历了从最初的研究阶段，到20世纪80年代以掺铒光纤放大器为主的发展及光通信应用的开端，再到20世纪90 年代末以来以掺镱光纤激光器为代表的快速发展和应用普及阶段。光纤激光器因其结构紧凑、墙插效率高、光束质量高、高可靠性、易操作维护、受环境因素影响小等优点，已广泛应用于先进制造、通信、测量传感、医疗、国防和科学研究等领域。
稀土掺杂石英光纤是光纤激光器和放大器的核心元件，伴随着光纤激光器和放大器的发展，稀土掺杂石英光纤的激光波长从最初的1μm扩展到现在的可见光到2μm，单纤输出功率从最初的毫瓦级发展到现在的单模万瓦级，光纤结构从最初的单包层过渡到双包层、三包层以及微结构光纤。其制备技术也得到快速发展。
众所周知，自1970年美国康宁公司采用MCVD技术首次获得20dB/km低损耗石英光纤以来，1985年英国南安普顿大学采用MCVD技术成功研制了低损耗掺钕和掺铒石英光纤，开启了掺铒光纤放大器在光通信领域的应用。1988年E. Snitzer 首次提出双包层掺钕石英光纤结构，使得光纤激光器亮度和功率的大幅提升成为可能。1999年国际上首次实现掺镱石英光纤激光器百瓦输出功率的突破，在随后的十来年伴随着激光二极管的发展，掺镱石英光纤激光器实现了单纤单模万瓦激光输出。2000年英国巴斯大学首次报道了掺镱光子晶体光纤的研究结果，2003年德国耶拿大学首次用大模场掺镱光子晶体光纤实现高平均功率激光输出，为高峰值功率脉冲光纤激光器提供了增益光纤的解决方案。稀土掺杂石英光纤的不断研发，不仅推动了光纤激光器与放大器在光通信和测量传感领域的应用，同时极大地推进了以掺镱光纤激光器为代表的高功率光纤激光器在工业加工、医疗、军事领域的应用步伐。目前稀土掺杂石英光纤已经成为通信光纤放大器、高功率和工业光纤激光器不可或缺的增益材料。
迄今为止，包含稀土掺杂石英光纤专业知识内容的中文专著主要有：姜中宏主编的《新型光功能玻璃》（化学工业出版社，2008年）、楼祺洪编著的《高功率光纤激光器及其应用》（中国科学技术大学出版社，2009年）、闫大鹏编著的《工业光纤激光器》（华中科技大学出版社，2022 年）、王廷云编著的《特种光纤与光纤通信》（上海科学技术出版社，2016年）。这四部专著分别侧重光功能玻璃、高功率光纤激光器、工业光纤激光器、通信用特种光纤。此外，杨中民等编著的《复合玻璃光纤》（华南理工大学出版社，2021年）专门介绍了多组分玻璃以及纳米晶、晶体、半导体、金属及有机材料与玻璃复合的新型光纤。鉴于稀土掺杂石英光纤在光纤激光器和放大器中的重要性，迫切需要有一本专门介绍稀土掺杂石英光纤及应用的书籍，帮助大家系统了解稀土掺杂石英光纤的最新研究开发及应用进展。
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10多年来在稀土掺杂石英光纤方面的研究积累和相关创新成果为素材，适当综合国内外同行的研究报道，详细介绍了稀土掺杂石英光纤的纤芯玻璃成分、性质与结构、稀土掺杂石英光纤设计及制备、参数测量、光纤性质及应用，力图把稀土掺杂石英光纤及应用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基本性质和稀土掺杂石英光纤的概貌；第2章重点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章重点阐述稀土掺杂石英光纤的制备方法和性能表征方法；第4章和第5章分别介绍掺镜包层结构和大模场微结构光纤的结构、性能及应用：第6章介绍1.5μm波段应用的掺铒石英光纤最新研究进展及应用；第7章介绍2μm波段应用的掺锯、钬石英光纤最新研究进展及应用；第8章着重围绕0.9μm波段和lμm波段可调谐激光的应用，介绍掺钕和镱钕共掺石英光纤的最新研究进展；第9章面向空间环境光纤激光器的应用需求，着重阐述耐辐照稀土掺杂石英光纤及应用。
本书作者主要来自中国科学院上海光学精密机械研究所，全书由胡丽丽负责统稿、定稿；邵冲云负责收集书稿，并与编写作者及审稿专家联络。参与本书编写的作者分工如下：胡丽丽、邵冲云编写第1章，郭梦婷、邵冲云编写第2章，王世凯、王孟、楼风光编写第3章，于春雷、张磊编写第4章，王孟、冯素雅编写第5章，张磊、王璠、焦艳编写第6章，王璠、王雪编写第7 章，王亚飞、王世凯、陈应刚、林治全编写第8章，邵冲云、于春雷编写第9章。
中国科学院上海光学精密机械研究所陈丹平研究员和叶锡生研究员对本书所有章节进行了审阅并提出了宝贵的修改指导意见，上海科学技术出版社精心组织了本书的编辑和出版工作。在此一并向他们表示衷心的感谢。
本书是国内首部从材料角度出发系统介绍稀土掺杂石英光纤及应用的专业性图书，可为科研院所和高等院校从事光学、光子学、激光光纤及激光器研发的科研技术人员与广大师生，以及光纤激光器和放大器、激光光纤、激光材料行业的技术人员提供重要参考。由于时间和专业知识的局限性，书中难免有不足之处，希望读者提出宝贵意见，以便我们不断改进提高。
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