基于級(jí)聯(lián)躍遷的2.8 μm 低摻鉺氟化物光纖激光器數(shù)值分析與優(yōu)化*

夏文新 付士杰 張鈞翔 張露 盛泉 羅學(xué)文 史偉 姚建銓

(天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院,光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300072)

2.8μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷的工作方式,可以有效解決低摻鉺氟化物光纖中自終止效應(yīng)導(dǎo)致的2.8 μm激光功率提升難題.建立基于低摻鉺氟化物光纖2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷的中紅外光纖激光器數(shù)值模型,系統(tǒng)分析了2.8 μm 和1.6 μm 激光波長(zhǎng)對(duì)2.8 μm 激光功率和轉(zhuǎn)換效率的影響.計(jì)算結(jié)果表明,選取1610 nm作為級(jí)聯(lián)激光工作波長(zhǎng),能有效平衡2.8 μm 激光下能級(jí)4I13/2 粒子向基態(tài)4I15/2 和激發(fā)態(tài)4I9/2 的躍遷過(guò)程,實(shí)現(xiàn)2.8 μm 波段激光輸出功率和效率的提升.此外,計(jì)算了1.6 μm 激光腔反饋對(duì)2.8 μm 激光功率和效率的影響,結(jié)果表明,僅通過(guò)光纖端面提供的弱反饋即可實(shí)現(xiàn)1.6 μm 激光振蕩,從而獲得高效率2.8 μm 激光輸出.

1 引言

2.8μm 附近的中紅外波段對(duì)應(yīng)著包括水分子在內(nèi)的多種有機(jī)和無(wú)機(jī)分子的吸收峰,因此該波段的激光光源在光譜分析、生物醫(yī)療以及遙感等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用[1—3].與光學(xué)參量振蕩器[4]、摻鉺固體激光器[5]、量子級(jí)聯(lián)激光器[6]等中紅外激光的產(chǎn)生方法相比,基于稀土離子受激發(fā)射的摻鉺氟化物光纖激光器具有光束質(zhì)量?jī)?yōu)良、散熱性良好以及柔性產(chǎn)生和傳輸?shù)忍攸c(diǎn),受到廣泛關(guān)注.

摻鉺氟化物(ZBLAN)光纖中2.8 μm 激光躍遷對(duì)應(yīng)的激光下能級(jí)4I13/2的壽命(9.9 ms)長(zhǎng)于激光上能級(jí)4I11/2的壽命(7.9 ms),粒子會(huì)在激光下能級(jí)大量積累,阻礙粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的形成、抑制2.8 μm激光的激射,也即存在“自終止”效應(yīng).當(dāng)氟化物光纖中鉺離子摻雜濃度較高時(shí),4I13/2能級(jí)上的離子間能量傳遞過(guò)程增強(qiáng)[7],能量轉(zhuǎn)移上轉(zhuǎn)換(energy transfer upconversion,ETU)過(guò)程能夠有效地消耗激光下能級(jí)積累的粒子,從而緩解自終止效應(yīng)[8].因此,目前高功率2.8 μm 中紅外光纖激光器普遍采用摻雜濃度6—7 mol%的高摻鉺氟化物光纖[9—12],已實(shí)現(xiàn)最高41 W 的輸出功率[11].然而,高摻雜光纖中嚴(yán)重的熱負(fù)載成為限制激光功率和效率進(jìn)一步提升的主要障礙;降低摻雜濃度雖然可以起到分散熱負(fù)載的作用,但是又面臨ETU 過(guò)程減弱、激光下能級(jí)粒子無(wú)法釋放導(dǎo)致激光自終止的難題.

針對(duì)以上問題,研究人員提出2.8 μm 和1.6 μm激光級(jí)聯(lián)躍遷的技術(shù)方案,利用1.6 μm 波段激光的級(jí)聯(lián)發(fā)射(4I13/2→4I15/2)加速釋放4I13/2能級(jí)的粒子,緩解自終止效應(yīng)[13].2016 年,Li 等[14]報(bào)道了基于摻雜濃度1.5 mol%的氟化物光纖的2.8 μm和1.6 μm 級(jí)聯(lián)躍遷激光器,采用高反鍍膜腔鏡與平切的光纖輸出端面構(gòu)成激光諧振腔,實(shí)現(xiàn)了15.2 W 的2.8 μm 激光輸出,相對(duì)976 nm 泵浦光的斜率效率達(dá)到26.7%.2017 年,Aydin 等[15]指出發(fā)生級(jí)聯(lián)躍遷時(shí)1.6 μm 激光的激發(fā)態(tài)吸收(excited state absorption,ESA,4I13/2→4I9/2)過(guò)程對(duì)2.8 μm 激光的發(fā)射也具有貢獻(xiàn),在低摻鉺(1 mol%)氟化物光纖中分別刻寫2.8 μm 和1.6 μm 的光柵,結(jié)合光纖端面的鍍膜實(shí)現(xiàn)了2.8 μm 和1.6 μm 級(jí)聯(lián)激射的全光纖激光器,將2.8 μm 激光的斜率效率提升至50%,實(shí)現(xiàn)了13 W 的激光輸出.在理論模型方面,2014年Li 等[16]系統(tǒng)分析了諧振腔參數(shù)對(duì)2.8 μm 與1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷功率和效率的影響;2022 年Guo 等[17]系統(tǒng)分析了1.6 μm ESA過(guò)程對(duì)2.8 μm 激光功率和效率的影響.但是,前述理論和實(shí)驗(yàn)分析均是針對(duì)2.8 μm 與1.6 μm 激光固定波長(zhǎng)的研究.1.6 μm 激光涉及激光受激發(fā)射和ESA 兩個(gè)過(guò)程,二者對(duì)激光增益的貢獻(xiàn)不同,其速率也均隨波長(zhǎng)而變化;2.8 μm 激光的工作波長(zhǎng)對(duì)激光增益以及重吸收過(guò)程也有顯著的影響.因此,研究級(jí)聯(lián)躍遷方案中2.8 μm 和1.6 μm 激光具體工作波長(zhǎng)對(duì)上述過(guò)程的作用,對(duì)于優(yōu)化中紅外光纖激光器的功率和效率具有重要意義.本文系統(tǒng)分析了摻鉺氟化物光纖級(jí)聯(lián)躍遷激光器中2.8 μm和1.6 μm 激光波長(zhǎng)對(duì)2.8 μm 激光功率和效率的影響,結(jié)果表明,選取1610 nm 級(jí)聯(lián)躍遷波長(zhǎng),能夠平衡2.8 μm 激光下能級(jí)粒子向基態(tài)和激發(fā)態(tài)躍遷的過(guò)程,最大程度地提升2.8 μm 激光的轉(zhuǎn)換效率.此外,理論計(jì)算發(fā)現(xiàn),利用平切光纖端面提供的弱反饋即可實(shí)現(xiàn)1.6 μm 激光振蕩,從而提高粒子循環(huán)能力,實(shí)現(xiàn)高效的2.8 μm 激光輸出.

2 理論模型

圖1 為摻鉺ZBLAN 光纖中2.8 μm 與1.6 μm激光級(jí)聯(lián)躍遷過(guò)程的能級(jí)示意圖.基態(tài)4I15/2上的粒子吸收976 nm 泵浦光,躍遷至激光上能級(jí)4I11/2(ground state absorption,GSA),隨后在4I11/2和4I13/2能級(jí)之間發(fā)生輻射躍遷,產(chǎn)生2.8 μm 激光.由于4I13/2能級(jí)壽命長(zhǎng)于4I11/2能級(jí)的壽命,粒子在4I13/2能級(jí)大量積累,發(fā)生自終止.在低摻鉺ZBLAN光纖中,ETU1 (4I13/2,4I13/2→4I15/2,4I9/2)系數(shù)較低,難以有效地消耗4I13/2能級(jí)積累的粒子,而級(jí)聯(lián)躍遷方案通過(guò)增加1.6 μm 激光躍遷(4I13/2→4I15/2)過(guò)程,能夠快速消耗4I13/2上的粒子;同時(shí)產(chǎn)生的1.6 μm 激光可進(jìn)一步通過(guò)ESA2 過(guò)程將4I13/2的粒子激發(fā)到更高能級(jí)4I9/2,并隨后弛豫至激光上能級(jí)4I11/2,促進(jìn)了2.8 μm 激光系統(tǒng)的粒子循環(huán),提高2.8 μm 激光的轉(zhuǎn)換效率.

圖1 基于摻鉺ZBLAN 光纖的2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷能級(jí)示意圖Fig.1.Energy level diagram of Er3+-doped ZBLAN fiber lasers relevant to cascaded transitions of 2.8 μm and 1.6 μm lasers.

根據(jù)能級(jí)躍遷過(guò)程(圖1),建立如下速率方程,與文獻(xiàn)[16]中模型相比,本文模型中增加了1.6 μm激發(fā)態(tài)吸收(ESA2,4I13/2→4I9/2)過(guò)程以及ETU3(4F9/2,4I11/2→4S3/2,4I13/2)過(guò)程:

其中,Ni(z,t)為能級(jí)i上的粒子數(shù),N為總粒子數(shù),τi為能級(jí)i的輻射壽命,βij表示離子從能級(jí)i衰減到低能級(jí)j的分支比例,τi和βij參數(shù)均取自文獻(xiàn)[17].RGSA1,RESA1和RESA2分別表示GSA,ESA1和ESA2 過(guò)程的速率,RETU1,RETU2和RETU3分別表示ETU1,ETU2 和ETU3 過(guò)程的速率,RCR表示交叉弛豫(cross relaxation,CR)過(guò)程的速率,其表達(dá)式參照文獻(xiàn)[17].腔內(nèi)泵浦光和信號(hào)光的功率傳輸方程如(2)式:

其中,αp,αs1和αs2分別表示976 nm 泵浦光以及2.8 μm 和1.6 μm 激光在光纖中傳輸?shù)谋尘皳p耗系數(shù).泵浦光功率和所產(chǎn)生的激光功率在光纖端面的邊界條件如(3)式:

其中,P1,launch表示實(shí)際耦合進(jìn)入增益光纖中的泵浦光功率,R和RL分別表示光纖輸入和輸出端面的反射率,其中下標(biāo)p,s1 和s2 分別代表976 nm泵浦光、2.8 μm 信號(hào)光和1.6 μm 信號(hào)光.

3 分析與討論

3.1 單諧振腔下2.8 μm 激光的自終止效應(yīng)

圖2 為基于單諧振腔的2.8 μm 中紅外光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖,泵浦源為976 nm 多模半導(dǎo)體激光器;增益光纖為摻鉺ZBLAN 雙包層光纖,摻雜濃度為1% (摩爾分?jǐn)?shù)),內(nèi)包層直徑240 × 260 μm、數(shù)值孔徑NA＞ 0.46;纖芯直徑16.5 μm、NA=0.12;激光諧振腔由高反(R＞ 99%)的光纖布拉格光柵(FBG)和光纖端面構(gòu)成;光纖末端采用包層光濾除器(CPS)將剩余泵浦光濾除.

圖2 基于單諧振腔的2.8 μm 中紅外光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.Schematic of mid-infrared fiber laser with a single 2.8 μm laser cavity.

基于單諧振腔的2.8 μm 中紅外激光系統(tǒng)中不存在4I13/2→4I15/2的1.6 μm 激光躍遷過(guò)程以及相應(yīng)的ESA2 過(guò)程,表1 列出了計(jì)算中所采用各參數(shù)取值.圖3(a)為數(shù)值計(jì)算得到的單諧振腔2.8 μm激光功率輸出特性.隨著泵浦功率的增大,2.8 μm激光輸出功率很快趨于飽和,進(jìn)一步增大泵浦功率,激光功率發(fā)生下降.以10 m 長(zhǎng)增益光纖為例,輸出功率在泵浦功率為18 W 時(shí)達(dá)到極大值1.04 W.當(dāng)光纖長(zhǎng)度增大時(shí),激光最大輸出功率有所提升,在光纖長(zhǎng)度20 m 和30 m 時(shí)分別能夠獲得1.72 W和1.89 W 的最高輸出功率.不存在1.6 μm 級(jí)聯(lián)激光時(shí)2.8 μm 中紅外光纖激光器的效率較低,斜率效率和光光效率最大分別僅為13%和5.8%.一方面自終止效應(yīng)抑制了2.8 μm 激光的發(fā)射,另一方面,激光下能級(jí)4I13/2上粒子的積累也會(huì)導(dǎo)致激光上能級(jí)4I11/2上粒子數(shù)更多,而4I11/2上的粒子會(huì)吸收976 nm 泵浦光向更高能級(jí)躍遷(4I11/2→4F7/2,ESA1),造成上能級(jí)粒子數(shù)的消耗和泵浦光能量的浪費(fèi).與之對(duì)比,圖3(b)給出不考慮ESA1 過(guò)程時(shí)的計(jì)算結(jié)果,雖然激光輸出功率也隨著泵浦功率的增加逐漸飽和,但并未出現(xiàn)下降的趨勢(shì).由此可知,自終止效應(yīng)和ESA1 過(guò)程共同限制了基于低摻鉺光纖的單諧振腔2.8 μm 激光器的功率和效率.

表1 仿真中使用的參數(shù)[7,18,19]Table 1.Parameters used in the simulation [7,18,19].

3.2 基于雙諧振腔結(jié)構(gòu)的2.8 μm 激光效率優(yōu)化

圖4 為2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷的中紅外光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖,與圖2 單諧振腔結(jié)構(gòu)相比增加了對(duì)1.6 μm 激光的反饋,構(gòu)成實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)躍遷的雙諧振腔系統(tǒng).圖5 給出級(jí)聯(lián)躍遷的雙諧振腔系統(tǒng)與單諧振腔系統(tǒng)的輸出特性對(duì)比,計(jì)算中相對(duì)表1 增加的各參數(shù)取值見表2[15,17—20].

表2 級(jí)聯(lián)躍遷系統(tǒng)的模擬參數(shù)[15,17—20]Table 2.Parameters used in cascaded transition system [15,17—20].

圖4 2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷的中紅外光纖激光器結(jié)構(gòu)Fig.4.Schematic of mid-infrared fiber lasers with cascaded 2.8 μm and 1.6 μm laser transitions.

圖5 2.8 μm 激光單諧振腔系統(tǒng)(無(wú)1.6 μm 腔反饋)與2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷雙諧振腔系統(tǒng)(有1.6 μm 腔反饋)激光特性對(duì)比 (a) 2.8 μm 和1.6 μm 激光輸出功率隨泵浦功率的變化;(b) 35 W 泵浦功率下泵浦光與1.6 μm 級(jí)聯(lián)激光沿光纖的功率分布;(c) 35 W 泵浦功率下4I15/2,4I13/2 和4I11/2 能級(jí)的粒子數(shù)沿光纖的分布情況Fig.5.2.8 μm laser characteristics of the 2.8 μm laser single-cavity system (without 1.6 μm feedback) and the dual-cavity system based on cascaded 2.8 μm and 1.6 μm lasers (with 1.6 μm feedback): (a) Output power of 2.8 μm and 1.6 μm laser as a function of 976 nm launched pump power;(b) power distribution of pump light and 1.6 μm cascade laser along fiber under 35 W of launched pump power;(c) population distribution of 4I15/2,4I13/2 and 4I11/2 energy levels along active fiber under 35 W of launched pump power.

如圖5(a)所示,當(dāng)存在1.6 μm 激光振蕩時(shí),1.6 μm 激光發(fā)射和ESA2 過(guò)程都能夠有效消耗4I13/2能級(jí)的粒子,緩解自終止效應(yīng),因此級(jí)聯(lián)躍遷系統(tǒng)中2.8 μm 激光輸出功率和效率(藍(lán)色方塊)與單腔情況(黑色三角)相比得到顯著提升.圖中紅色和綠色離散點(diǎn)為文獻(xiàn)[15]中基于級(jí)聯(lián)躍遷結(jié)構(gòu)獲得的2.8 μm 和1.6 μm 激光功率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可以看出,理論模擬結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符,驗(yàn)證了本文理論模型的可靠性.圖5(b)和圖5(c)給出入射泵浦功率35 W 時(shí),976 nm 泵浦光與1.6 μm 激光功率以及級(jí)聯(lián)躍遷過(guò)程所涉及能級(jí)的粒子數(shù)沿光纖縱向的分布情況.當(dāng)存在1.6 μm激光級(jí)聯(lián)躍遷時(shí),1.6 μm 激光功率沿光纖長(zhǎng)度方向呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)(圖5(b)粉色虛線),4I13/2能級(jí)粒子數(shù)隨著1.6 μm 激光功率的增大而迅速下降(圖5(c)紅色實(shí)線),同時(shí),1.6 μm 激光受激發(fā)射過(guò)程使得4I13/2能級(jí)的粒子躍遷至基態(tài)4I15/2能級(jí),4I15/2能級(jí)粒子數(shù)迅速上升(圖5(c)棕色實(shí)線),因而其泵浦吸收(圖5(b)綠色虛線)相對(duì)不存在1.6 μm 激光振蕩的情況(圖5(b)黑色實(shí)線)更為充分.

然而,級(jí)聯(lián)躍遷技術(shù)方案利用1.6 μm 激光消耗2.8 μm 激光下能級(jí)粒子、提高粒子循環(huán)能力的同時(shí),向激光系統(tǒng)中引入了額外的1.6 μm 激光諧振腔.2.8 μm 和1.6 μm 激光的躍遷速率存在差異,導(dǎo)致2.8 μm 激光躍遷積累4I13/2能級(jí)粒子、1.6 μm激光躍遷消耗4I13/2能級(jí)粒子的速率不同,兩個(gè)激光躍遷的過(guò)程相互影響制約,因此,需要對(duì)兩個(gè)激光諧振腔的腔參數(shù)、激光工作波長(zhǎng)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化,以保證1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷對(duì)于2.8 μm 激光功率、效率提升的效果最大化.2.8 μm 和1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)躍遷方案中兩激光相互影響的現(xiàn)象在其他文獻(xiàn)中也有報(bào)道,如文獻(xiàn)[15]中,觀察到在1.6 μm激光閾值附近2.8 μm 激光的自脈沖現(xiàn)象,這可能是由于摻鉺光纖尾端泵浦功率較低,摻鉺光纖作為1.6 μm 激光的飽和吸收體,導(dǎo)致1.6 μm 激光的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn),進(jìn)而通過(guò)級(jí)聯(lián)躍遷和激發(fā)態(tài)吸收過(guò)程影響2.8 μm 激光躍遷,導(dǎo)致2.8 μm 激光的自脈沖現(xiàn)象.

與1.6 μm 級(jí)聯(lián)躍遷過(guò)程相比,ESA2 過(guò)程在消耗4I13/2能級(jí)積累的粒子同時(shí)又將其激發(fā)至4I9/2能級(jí)并弛豫到激光上能級(jí)4I11/2,起到一舉兩得的作用.1.6 μm 級(jí)聯(lián)躍遷和ESA2 兩個(gè)過(guò)程的中心波長(zhǎng)存在一定偏離,分別為1535 nm 和1675 nm,因此我們進(jìn)一步計(jì)算了1.6 μm 激光波長(zhǎng)對(duì)2.8 μm激光輸出功率的影響.計(jì)算中1.6 μm 波段的發(fā)射和吸收截面采用文獻(xiàn)[17,20]中的數(shù)值,表3 列出了2.8 μm 波段3 個(gè)典型波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的吸收和發(fā)射截面[18].2.8 μm 激光諧振腔兩端反射率分別為99%和4%,1.6 μm 激光諧振腔兩端反射率均為99%,其余參數(shù)均與圖5 計(jì)算過(guò)程中采用的參數(shù)相同.如圖6(a)所示,在50 W 泵浦功率下,2.8 μm 波段不同波長(zhǎng)的激光輸出功率極大值均出現(xiàn)在級(jí)聯(lián)發(fā)射波長(zhǎng)1610 nm 處,說(shuō)明此時(shí)1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)發(fā)射和ESA2 過(guò)程達(dá)到優(yōu)化平衡.在短波長(zhǎng)一側(cè)級(jí)聯(lián)發(fā)射過(guò)程較強(qiáng),但ESA2 過(guò)程較弱,盡管能夠有效消耗4I13/2能級(jí)的粒子,但對(duì)4I9/2能級(jí)粒子數(shù)的貢獻(xiàn)較小,難以實(shí)現(xiàn)粒子高效循環(huán);而在長(zhǎng)波長(zhǎng)一側(cè)ESA2 過(guò)程較強(qiáng),但不足以彌補(bǔ)1.6 μm 激光級(jí)聯(lián)發(fā)射強(qiáng)度降低對(duì)4I13/2能級(jí)粒子消耗作用的負(fù)面影響.圖6(b)給出級(jí)聯(lián)激光波長(zhǎng)固定為1610 nm 時(shí),2.8 μm 波段激光輸出功率與激光波長(zhǎng)的關(guān)系.以增益光纖長(zhǎng)度15 m 和泵浦功率50 W 為例,隨著激光波長(zhǎng)的增大,2.8 μm 激光功率逐漸增大,并在2880 nm 處達(dá)到峰值.隨著增益光纖長(zhǎng)度的增加,由于重吸收過(guò)程對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)提供更高的增益,輸出功率峰值所對(duì)應(yīng)的激光波長(zhǎng)逐漸紅移.增加增益光纖長(zhǎng)度在一定程度上有助于獲得長(zhǎng)波長(zhǎng)的高功率輸出,但摻鉺氟化物光纖自身對(duì)信號(hào)光的損耗也較為明顯,實(shí)際光纖長(zhǎng)度的選取需要綜合考慮.經(jīng)以上數(shù)值計(jì)算可知,在光纖長(zhǎng)度為15 m 時(shí),最優(yōu)的級(jí)聯(lián)波長(zhǎng)組合為2880 nm 和1610 nm,優(yōu)化后的激光輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系如圖6(c)所示,在泵浦功率達(dá)到1.6 μm 激光閾值(～5 W LD 泵浦功率)之前,2.8 μm 激光的斜率效率僅為16.8%,而1.6 μm 級(jí)聯(lián)激光起振后2.8 μm 激光的斜率效率增大到49.5%.

表3 ZBLAN 玻璃中鉺離子在2.8 μm 波段典型波長(zhǎng)的吸收和發(fā)射截面[18]Table 3.Absorption and emission cross sections of erbium ions at three selected wavelength of 2.8 μm regime in ZBLAN glass [18].

圖6 泵浦功率為50 W時(shí)(a) 2.8 μm 波段不同激光波長(zhǎng)輸出功率隨1.6 μm 級(jí)聯(lián)激光波長(zhǎng)的變化情況;(b)固定級(jí)聯(lián)激光波長(zhǎng)為1610 nm,2.8 μm 波段不同激光波長(zhǎng)輸出功率變化情況;(c) 2880 nm 和1610 nm 激光級(jí)聯(lián)躍遷輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系.圖中2.8 μm 諧振腔反射率為99%和4%,1.6 μm 諧振腔反射率均為99%Fig.6.Under 50 W of launched pump power at 976 nm:(a) 2.8 μm output power as a function of cascaded wavelength at 1.6 μm;(b) 2.8 μm output power as a function of laser wavelength at 2.8 μm,the value of cascaded wavelength was fixed at 1610 nm;(c) output power of 2880 nm and 1610 nm laser as a function of 976 nm launched pump power.2.8 μm cavity feedbacks: Rs1=99%,Rs1L=4%,1.6 μm cavity feedbacks: Rs2=99%,Rs2L=99%.

圖7(a)為不同1610 nm 腔反饋下,2880 nm激光輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系.當(dāng)1.6 μm諧振腔兩端的反射率均為99%時(shí),2.8 μm 激光的斜率效率高達(dá)49.5%;而1.6 μm 諧振腔兩端反射率分別為99%和4%時(shí),2.8 μm 激光的斜率效率為46.4%,與兩端均對(duì)1.6 μm 高反的情況相比,激光輸出功率和效率并沒有明顯的降低;即使進(jìn)一步降低1.6 μm 激光的腔反饋至兩端均為4%,也就是光纖端面的菲涅爾反射水平時(shí),2.8 μm 激光的斜率效率仍達(dá)到43.4%,可實(shí)現(xiàn)高功率、高效率2.8 μm激光輸出.圖7(b)給出不同腔反饋條件下泵浦光和1610 nm 激光沿光纖縱向的功率分布.基于端面反射同樣能夠產(chǎn)生充分的1.6 μm 激光振蕩,從而大幅提高激光效率;同時(shí)避免了光纖光柵帶來(lái)的散射損耗與微納缺陷[21],降低了激光系統(tǒng)的搭建難度,有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性,是實(shí)現(xiàn)高功率、高效率2.8 μm 激光輸出的有效手段.

圖7 不同1610 nm 腔反饋(Rs2/Rs2L)下 (a) 2880 nm 和1610 nm 激光輸出功率隨泵浦功率的變化關(guān)系;(b) 泵浦功率為50 W 時(shí),泵浦光和1610 nm 激光沿光纖的功率分布Fig.7.With the different 1610 nm feedbacks (Rs2/Rs2L):(a) Output power of 2880 nm and 1610 nm laser as a function of 976 nm launched pump power;(b) 976 nm and 1.6 μm laser power distribution along active fiber under 50 W of launched pump power.

4 結(jié)論

本文建立了基于低摻鉺氟化物光纖級(jí)聯(lián)躍遷的2.8 μm 中紅外光纖激光器理論模型,數(shù)值計(jì)算分析了級(jí)聯(lián)躍遷系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)對(duì)2.8 μm 激光功率和效率的影響.結(jié)果表明,級(jí)聯(lián)躍遷系統(tǒng)存在最優(yōu)級(jí)聯(lián)激光波長(zhǎng),能夠平衡2.8 μm 激光下能級(jí)4I13/2上的粒子向基態(tài)和激發(fā)態(tài)躍遷的過(guò)程,在保證對(duì)激光下能級(jí)粒子消耗作用的基礎(chǔ)上,提高粒子循環(huán)能力、促進(jìn)2.8 μm 激光的激射.此外,計(jì)算發(fā)現(xiàn)僅靠光纖端面提供的弱反饋即可獲得1.6 μm 激光振蕩,實(shí)現(xiàn)上述級(jí)聯(lián)發(fā)射過(guò)程、提高激光器效率,能夠規(guī)避在氟化物光纖中刻寫多段不同周期的光柵帶來(lái)的潛在問題,在實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)高功率、高效率的2.8 μm 中紅外光纖激光輸出方面存在巨大的潛力.