2μm摻銩光纖激光研究進(jìn)展及其應(yīng)用

劉波波，鄧澤懷

(西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西西安 710017)

光纖激光器因具有光譜特性強(qiáng)、熱穩(wěn)定性好、耦合效率高、光電轉(zhuǎn)換效率高、窄線寬等優(yōu)點(diǎn)，使其在激光領(lǐng)域占據(jù)了重要地位。2μm左右的激光對(duì)人眼安全，且水分子在2μm的波長(zhǎng)附近有較強(qiáng)的吸收峰，因此利用該波段的激光器進(jìn)行手術(shù)時(shí)止血性好。此外，2 μm波段激光器覆蓋了1.88μm、1.91μm 和2.41 μm這3個(gè)分子吸收帶，可用于激光雷達(dá)、遙感測(cè)控、醫(yī)療以及軍事等領(lǐng)域［1－3］。從20世紀(jì)90年代起，隨著包層抽運(yùn)技術(shù)、高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展以及新型雙包層摻銩光纖的研制使輸出激光功率和質(zhì)量均得到較大提高，目前摻銩光纖激光器已實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)的輸出［4］。

1 工作原理與結(jié)構(gòu)

光纖激光器主要由增益光纖、二色鏡或光柵構(gòu)成的諧振腔、以及泵浦源3部分組成，摻銩光纖激光器的增益介質(zhì)為摻Tm3+光纖。圖1所示為激光器F－P諧振腔結(jié)構(gòu)，介質(zhì)鏡M1對(duì)泵浦光高透和激光高反。介質(zhì)鏡M2對(duì)泵浦光高反，而對(duì)激光高透。若用光纖光柵作為介質(zhì)鏡，將其熔接在增益光纖的兩端可實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)，并能較大程度的提高激光效率，且結(jié)構(gòu)小巧、便于集成。

圖1 F－P腔結(jié)構(gòu)光纖激光器

Tm3+具有豐富的能級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。由圖中可看出，Tm3+可采用3種不同的泵浦方式。當(dāng)采用圖2(b)所示的泵浦方式時(shí)，由于高能級(jí)粒子具有較強(qiáng)的自發(fā)輻射能力，所以Tm3+光纖的摻雜濃度達(dá)到一定程度便可發(fā)生3H4，3H6－3F6，3F4的交叉弛豫過程大幅提高了量子效率［6］，故通常采用中心波長(zhǎng)為790 nm的LD作為泵浦源。

圖2 Tm3+能級(jí)躍遷圖

2 摻銩光纖激光器研究進(jìn)展

近年來，隨著光纖器件的發(fā)展，光纖激光器也獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，而摻Tm3+光纖激光器以銩離子獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)及輸出2μm波長(zhǎng)激光的廣泛應(yīng)用獲得更加迅猛的發(fā)展。自1998年 S.D.Jackson 與 T.A.King首次報(bào)道高功率雙包層摻 Tm3+石英光纖激光器［7］以來，2 μm光纖激光器得到了迅速的發(fā)展［8－11］，迄今為止摻銩光纖激光器的發(fā)展主要集中在高功率方面。

2.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)際上2.0μm波段摻銩光纖激光器的研究和應(yīng)用進(jìn)展迅速。2009年，美國(guó)Gregory D.Goodno等人通過4級(jí)放大的手段得到了600 W單頻摻銩光纖激光器［12］，其具有相位噪聲低和光束質(zhì)量好的特點(diǎn)，輸出波長(zhǎng)為2 040 nm，其實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示，由一個(gè)種子光源，3級(jí)放大組件，以及后面的雙端泵浦摻銩光纖激光器組成，790 nm的泵浦光通過透鏡耦合系統(tǒng)進(jìn)入增益光纖內(nèi)包層。

圖3 四級(jí)放大摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

2010年美國(guó)Nufern公司在西部光子學(xué)會(huì)上報(bào)道了輸出功率1 kW的摻銩連續(xù)光纖激光器［13］，該激光器通過二級(jí)放大實(shí)現(xiàn)高功率輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，一級(jí)放大和二級(jí)放大均用6個(gè)LD泵浦源經(jīng)過合束器對(duì)摻銩光纖進(jìn)行泵浦。

圖4 Nufern公司千瓦級(jí)摻銩光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

2011 年 Philipp Hübner，Christelle Kieleck 等人通過主動(dòng)鎖模的方式獲得了高功率的亞納秒量級(jí)的摻銩光纖激光器［14］。當(dāng)其重復(fù)頻率為37.88 MHz時(shí)，產(chǎn)生激光脈寬為38 ps，單脈沖能量達(dá)314 nJ。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示，增益介質(zhì)是2.6 m長(zhǎng)的摻銩光纖，用兩個(gè)LD對(duì)摻銩光纖進(jìn)行雙端泵浦，且在左端加入一個(gè)高反鏡，并在其后置一個(gè)聲光調(diào)制器，對(duì)產(chǎn)生的激光進(jìn)行鎖模，而將產(chǎn)生的激光從右側(cè)輸出。

圖5 亞納秒量級(jí)摻銩光纖激光器

2012年 Michael Eckerle，Christelle Kieleck等人通過調(diào)Q鎖模在重復(fù)頻率60 kHz時(shí)獲得了單脈沖能量8 μJ，峰值功率 2.4 kW 的摻銩光纖激光器［15］。其實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，用兩個(gè)LD對(duì)摻銩光纖進(jìn)行雙端泵浦，增益光纖最左端放一高反鏡，高反鏡后放一聲光調(diào)制器進(jìn)行鎖模，其后放置標(biāo)準(zhǔn)具，標(biāo)準(zhǔn)具后放置聲光Q開光對(duì)產(chǎn)生的激光進(jìn)行調(diào)Q。

圖6 調(diào)Q鎖模摻銩光纖激光器

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

2008年張?jiān)栖姷热擞弥行牟ㄩL(zhǎng)為792 nm的LD對(duì)82 cm長(zhǎng)的摻銩光纖進(jìn)行泵浦，獲得了2.4 W線寬為50 pm、波長(zhǎng)1 936.4 nm 連續(xù)激光輸出［16］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示，其前腔鏡為一二色鏡，對(duì)泵浦光高透，產(chǎn)生激光高反，用一低反射率的FBG作為輸出鏡。其具有線寬窄、連續(xù)輸出穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

圖7 哈爾濱工業(yè)大學(xué)窄線寬摻銩光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖

2010年唐宇龍，許琳等人通過使用聲光開關(guān)獲得線寬25 nm，輸出激光波長(zhǎng)為2 020 nm的摻銩脈沖光纖激光器［17］。所使用的摻銩光纖長(zhǎng)度為6 m，激光器的斜率效率可達(dá)到52%。其脈沖重復(fù)頻率從500 Hz～50 kHz可調(diào)諧，其最大單脈沖能量超過10 mJ，最大峰值功率為138 kW，激光器M2=1.01。

同年林可楓和張廣等人通過使用40 cm長(zhǎng)的新型雙包層摻釹鎢亞碲酸鹽光纖獲得了1.12 W的2μm連續(xù)激光［18］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖8所示，其實(shí)驗(yàn)采用中心波長(zhǎng)為800 nm的激光器進(jìn)行端面泵浦，并用光纖介質(zhì)鏡作為前腔鏡垂直，增益介質(zhì)末端垂直切割，用其4%的菲涅爾反射作為輸出鏡。

圖8 上海光機(jī)所摻釹鎢亞銻酸鹽光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

2011年劉江等人將石墨烯作為可飽和吸收體，研制出2.0μm石墨烯被動(dòng)調(diào)Q摻銩全光纖激光器［19］。當(dāng)抽運(yùn)功率為1.3 W時(shí)，得到穩(wěn)定的重復(fù)頻率為44 kHz的調(diào) Q激光脈沖輸出，平均輸出功率約為2.9 mW脈沖寬度為3.0 μs。

2012年，北京工業(yè)大學(xué)劉江等人采用二級(jí)放大結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了20 W全光纖結(jié)構(gòu)摻銩皮秒脈沖激光輸出［20］。實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示，該摻銩皮秒脈沖光纖激光器由種子源和兩級(jí)摻銩光纖放大器組成。摻銩光纖主放大級(jí)主要包括隔離器、多模半導(dǎo)體激光器、(6+1)×1的多模抽運(yùn)合束器和摻銩雙包層光纖等組成。其最大平均輸出功率為20.7 W，激光斜率效率為42%，可獲得最大峰值功率為11.2 kW。

圖9 北京工業(yè)大學(xué)摻銩全光纖皮秒脈沖激光器

3 摻銩光纖激光器的應(yīng)用

摻銩光纖激光器與傳統(tǒng)2.0μm固體激光器相比具有體積小、易集成、攜帶方便及效率高等優(yōu)點(diǎn)，又因2.0 μm 波 段 激 光 覆 蓋 了 1.88 μm、1.91 μm 和2.41μm的3個(gè)重要分子吸收帶，所以應(yīng)用廣泛。水分子在2.0μm有較強(qiáng)的吸收峰，將摻銩光纖激光器作為激光手術(shù)刀具有良好的止血性。由此同時(shí)2.0μm波段的激光是人眼安全波段，且覆蓋大氣通信窗口，所以其可應(yīng)用在激光雷達(dá)、遙感探測(cè)等領(lǐng)域。此外，該激光通過光參量振蕩可產(chǎn)生3～5μm，8～12μm中紅外波段，因此其可作為產(chǎn)生中紅外激光的光源。

4 總結(jié)與展望

近年來?yè)戒A光纖激光器的研究主要集中在鎖模、調(diào)Q及短脈沖激光器等方面，以期獲得更高的峰值功率、更窄的脈沖激光輸出。如何獲得高功率的摻銩光纖激光器是近年來的研究熱點(diǎn)。隨著光纖器件的發(fā)展，例如FBG、光纖聲光調(diào)制器以及新型材料石墨烯的發(fā)展使摻銩光纖激光器在短脈沖方面也有了長(zhǎng)足進(jìn)步。在連續(xù)激光器方面，因泵浦源功率的限制，以及光纖熔接耦合匹配問題和散熱問題，功率只能達(dá)到百瓦量級(jí)。所以人們希望在連續(xù)激光器上有更大的提升，為了獲得更高功率的連續(xù)激光器主要方法是通過提高泵浦源的功率以及二級(jí)放大等。隨著新型摻銩光纖的研制以及激光技術(shù)的發(fā)展，能夠相信高功率摻銩光纖激光器的產(chǎn)品化將指日可待。

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