3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 光纖激光器研究進(jìn)展及展望

劉永巖， 田 穎*， 楊雪瑩， 蔡恩林， 李兵朋， 張軍杰， 徐時清

（1.中國計量大學(xué) 光學(xué)與電子科技學(xué)院， 光電材料與器件研究院， 浙江 杭州 310018；2.中國科學(xué)院 上海應(yīng)用物理研究所， 上海 201800；3.中國科學(xué)院 上海高等研究院， 上海 201200； 4.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 101408）

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，3 μm 激光在醫(yī)療外科、氣體檢測、軍事應(yīng)用等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。目前實(shí)現(xiàn)3 μm 波段激光輸出的方式可以分為四種：氣體激光器、量子級聯(lián)激光器、非線性頻率變換激光器和稀土摻雜光纖激光器。其中氣體激光器體積龐大，量子級聯(lián)激光器只能在低溫環(huán)境下運(yùn)行，非線性頻率變換激光器搭建較為困難。與上述三種激光器相比，稀土摻雜光纖激光器具有高增益和轉(zhuǎn)換效率、光束傳輸質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊和功率可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，未來有望成為3 μm 波段主流激光器。

光纖激光器的核心是基質(zhì)材料和增益離子，目前主要的光纖基質(zhì)有石英玻璃、硫系玻璃、鍺酸鹽玻璃、碲酸鹽玻璃和氟化物玻璃[1]。石英玻璃作為發(fā)展最成熟的光纖基質(zhì)材料，工作波段為0.3～2.5 μm，不適用于3 μm 波段光的傳輸，且稀土摻雜濃度很低。硫系玻璃是目前工作波段范圍最大（1.5～16 μm）的光纖基質(zhì)，具有很低的聲子能量和極高的非線性系數(shù)，但其基質(zhì)中難以摻入稀土離子，導(dǎo)致輸出功率尚未突破瓦級。碲酸鹽玻璃工作波段為0.38～6 μm，稀土離子的溶解度很高，但其羥基含量有待降低。氟化物玻璃工作波段為0.3～12 μm，具有低聲子能量（500～600 cm-1）和低損耗的優(yōu)勢，可以摻雜多種稀土離子，是3 μm 波段最佳的光纖基質(zhì)。目前最常用的氟化物光纖是ZBLAN 光纖，組分為ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF，其離子的高濃度摻雜技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此外，氟化物光纖還包括氟化鋁[2]與氟化銦光纖[3]等，與ZBLAN 光纖相比，氟化銦光纖具有更低的聲子能量，但易潮解、機(jī)械強(qiáng)度低，且原料昂貴，無法用于商業(yè)化生產(chǎn)；而氟化鋁光纖受水分子的影響較小，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，但氟化鋁玻璃的抗析晶能力差，光纖拉制困難，且聲子能量偏高，很難輸出大功率激光。

稀土離子作為產(chǎn)生激光的激活離子，可以摻雜在晶體和光纖中，可采用能級壽命較長的鑭系離子（如Er3+、Ho3+、Dy3+）來產(chǎn)生3 μm 激光。采用Er3+做摻雜離子時，一般使用InGaAs 半導(dǎo)體激光器（980 nm）進(jìn)行泵浦，位于基態(tài)4I15/2的粒子被直接泵浦到上能級4I11/2，此時上能級4I11/2的粒子數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于下能級4I13/2粒子數(shù)，粒子向4I13/2能級躍遷產(chǎn)生2.65～2.95 μm 的輸出光。由于Er3+上能級4I11/2（6.9 ms）壽命小于下能級4I13/2（9.0 ms）壽命，下能級粒子數(shù)會隨著泵浦功率和時間的增加而越來越多，從而導(dǎo)致激光自終止效應(yīng)的發(fā)生。常見的減少自終止現(xiàn)象的方法有三種：第一種方法是Er3+的高濃度摻雜[4]，此時存在兩種能量傳遞上轉(zhuǎn)換（ETU）過程，其中ETU1 過程（粒子由下能級4I13/2躍遷至能級4I9/2和4I15/2，再通過多聲子弛豫過程到達(dá)上能級4I11/2）增加了上能級粒子數(shù)，ETU2 過程（上能級4I11/2的粒子上轉(zhuǎn)換至能級4F7/2和4I15/2）減少了上能級粒子數(shù)，兩種ETU 過程都會隨著Er3+離子濃度的增加而提高，因而尋找Er3+的最優(yōu)摻雜濃度比是提高激光轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵，目前報道的ZBLAN 光纖中Er3+的較優(yōu)摻雜濃度在6%～8%（mol）。第二種減少自終止現(xiàn)象的方法是對光纖進(jìn)行低溫處理，溫度較低時，上能級壽命相對增加，自終止效應(yīng)被抑制。第三種方法是在摻Er3+光纖中引入Pr3+，通過Er3+能級4I13/2和Pr3+能級3F3之間的能量傳遞來減少下能級粒子數(shù)，從而抑制自終止效應(yīng)[5]。Ho3+摻雜的激光器體系一般采用640 nm、885 nm 和1 150 nm 的泵浦光，粒子在泵浦光的作用下到達(dá)上能級5I6，再向下躍遷至5I7時輻射出2.8～3 μm 的輸出光。由于其上能級5I6（3.5 ms）壽命小于下能級5I7（12 ms），同樣可以上述方法來抑制自終止效應(yīng)。對Dy3+摻雜的激光器體系而言，可以使用1 090 nm、1 300 nm、1 700 nm 和2 800 nm 波段的光來泵浦，粒子由上能 級6H13/2到 達(dá) 下 能 級6H15/2，產(chǎn) 生2.9～3.4 μm 的輸出光[6]。與Ho3+、Dy3+摻雜的光纖激光器相比，Er3+的ETU 過程使激光器量子效率大大提高，從而保證激光器高效運(yùn)行，而980 nm 激光器的商業(yè)化生產(chǎn)也促使Er3+∶ZBLAN 激光器得到迅速的發(fā)展。本綜述詳細(xì)介紹了Er3+∶ZBLAN 激光器的研究進(jìn)展，主要包括連續(xù)性光纖激光器和基于飽和吸收體的脈沖激光器工作原理和發(fā)展現(xiàn)狀，最后對Er3+∶ZBLAN 激光器目前存在的問題和發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)和展望。

2 3 μm 波 段Er3+∶ZBLAN 連 續(xù) 輸 出激光器

Er3+具有豐富的能級結(jié)構(gòu)，在0.98 μm 泵浦下產(chǎn)生約3 μm 激光，而ETU 過程又提高了激光轉(zhuǎn)換效率，圖1 為Er3+部分能級結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的ETU 過程。早在1976 年，Robinson[7]便報道了Er3+由4I11/2到4I13/2能級可以受激輻射（2.69±0.05） μm 的光。1989 年，Allain[8]制備出Er 摻雜濃度為0.9%（mol）的氟硼酸鹽單模光纖，在476.5 nm 泵浦下獲得了2.714 μm 的連續(xù)輸出激光，其閾值泵浦功率為7 mW，輸出激光功率為0.25 mW，線寬小于2 nm，這是氟化物光纖首次在3 μm 波段實(shí)現(xiàn)激光的連續(xù)輸出。此后幾年間，研究者對該波段激光器展開了一系列實(shí)驗(yàn)探究。

圖1 Er3+部分能級結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的ETU 過程Fig.1 Er3+ partial energy level structure and corresponding ETU process

對于波長可調(diào)諧的激光器，由于再吸收過程的增強(qiáng)和較短波長輻射的減弱，實(shí)驗(yàn)中輸出波長的可調(diào)范圍隨泵浦功率的增加而減小。2007 年，Zhu[9]采用600 條/mm 溝槽的鍍金光柵來拓寬光譜寬度，得到2.7～2.83 μm 波長可調(diào)諧的Er3+:ZBLAN 中紅外光纖激光器，連續(xù)輸出功率大于2 W，突破了3 μm 波段氟化物光纖激光器瓦量級的輸出。

空間耦合是最常用的光耦合方法，操作簡單，不需要很高的工藝，但由于氟化物光纖本身的物理性質(zhì)，光纖在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的熱量會持續(xù)積累，從而對端面造成損傷，所以需要對光纖進(jìn)行散熱和端面除水處理。圖2 是兩種光纖散熱結(jié)構(gòu)簡圖，分別采用液體與纖身直接接觸和間接接觸的方式對光纖進(jìn)行降溫。圖2（a）為直接冷卻法，采用的液體一般為循環(huán)流動的氟碳液體冷卻劑，溫度控制在20 ℃左右，將光纖浸泡在充滿氟碳液體冷卻劑的鋁板中以達(dá)到降溫的目的；圖2（b）為間接冷卻法，在鋁板內(nèi)部通水以保持20 ℃的恒定溫度，通過鋁板與纖身的接觸來進(jìn)行散熱。2007 年，Zhu[10]采用了主動水冷的方式來降溫，有效防止光纖端部的軟化彎曲的同時提高了激光器的損傷閾值，在泵浦功率42.8 W 時得到了9 W 的輸出功率，將ZBLAN 光纖激光器的轉(zhuǎn)換效率提高到21%。2009 年，日本Tokita[11]采用液體直接散熱的方式，纖身處理與圖2（a）相似，同時對光纖兩端進(jìn)行導(dǎo)電降溫，在級聯(lián)泵浦下獲得了24 W 的輸出功率和14.5%的轉(zhuǎn)換效率。2010 年，他們[12]又對光路進(jìn)行改裝，采用間接水冷卻的方式，將光纖放置在20 ℃的鋁板上，光纖末端由帶U 型槽熱沉夾緊，同時采用鼓吹氮?dú)獾姆绞絹砬宄饫w端面的水分。由于光纖很難與光纖槽完美貼合，實(shí)驗(yàn)中散熱效果并不理想，得到的最大輸出功率為11 W。2011 年，Ashoori[13]根據(jù)傳熱方程建立了三維氟化物光纖熱量分布模型，從理論方面證明了對氟化物光纖進(jìn)行散熱可以提高其損傷閾值。

圖2 光纖散熱結(jié)構(gòu)簡圖。 （a）液體直接冷卻；（b）液體間接冷卻Fig.2 Schematic diagram of fiber optic heat dissipation structure.（a）Liquid direct cooling.（b）Liquid indirect cooling

與空間耦合相比，全光纖結(jié)構(gòu)可以完美地避開端面因光子碰撞產(chǎn)生的熱損傷，從而提高激光器損傷閾值。圖3 為Er3+∶ZBLAN 激光器全光纖結(jié)構(gòu)裝置示意圖，實(shí)現(xiàn)全光纖技術(shù)的關(guān)鍵是泵浦尾纖與氟化物光纖的熔接（S1）、光纖端帽的熔接（S2）、高反和低反光纖光柵（HR-FBG 和LR-FBG）的寫入。其中光纖光柵是利用光纖的光敏性對光纖纖芯折射率進(jìn)行周期性調(diào)制的一種無源器件，它與光纖兼容度很高，在光路中起到振蕩反饋、濾波和波長調(diào)諧的作用。ZBLAN 光纖光敏性低，可以利用材料的非線性吸收特性，通過相位掩模法與激光直寫法直接將光柵刻入光纖內(nèi)。2009 年，加拿大拉瓦爾大學(xué)[14]成功在光纖中刻入FBG，在泵浦功率為20.5 W 的條件下，得到了最大輸出功率為5 W、轉(zhuǎn)換效率為24%的激光輸出。由于光纖與空氣界面中水分的存在，該實(shí)驗(yàn)在輸出功率達(dá)2 W 時光纖端面出現(xiàn)了熱損傷。為了在不影響光束質(zhì)量的情況下消除端面熱損傷，該課題組在同年[15]采取加壓氮?dú)獾姆绞絹砬宄敵龆怂郑⑷劢右欢味嗄９饫w作端帽，得到的激光器最大輸出功率為5.2 W。2011 年，他們[16]又對光纖進(jìn)行了光柵刻寫，將激光輸出功率提高到20.6 W，對應(yīng)的轉(zhuǎn)換效率為35.4%。在泵浦尾纖與氟化物光纖熔接的問題中，由于ZBLAN 光纖的軟化溫度Ts（320 ℃）低于石英光纖，需要在石英玻璃的端面沉積Ta2O5介電涂層以提高兩種光纖的粘附性，然后將石英光纖加熱到ZBLAN 玻璃Ts以上，立即將兩種光纖壓在一起完成熔接。此后，拉瓦爾大學(xué)又對諧振腔進(jìn)行多次全光纖化改進(jìn)[17-19]，包括采用雙向泵浦來減少光路的熱負(fù)載，在2018 年將3 μm激光最大輸出功率提高至41.6 W，這是國際上Er3+∶ZBLAN連續(xù)激光器最高的輸出功率。

圖3 Er3+∶ZBLAN 激光器全光纖結(jié)構(gòu)裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of all fiber structure device for Er3+∶ZBLAN laser

2021 年，Newburgh[20]通過T 型耦合器接通N2，確定了非級聯(lián)操作的情況下泵浦的最佳波長為985 nm，并將光纖轉(zhuǎn)換效率提高到28%，這是目前非級聯(lián)激光器最高的轉(zhuǎn)換效率；然后采用雙端泵浦來耦合更大的泵浦功率，當(dāng)組合泵浦功率為325 W 時，輸出峰值功率達(dá)70 W。由于實(shí)驗(yàn)是在泵浦運(yùn)行狀態(tài)為“通電1 ms、重復(fù)頻率5 Hz”的準(zhǔn)連續(xù)波模式下實(shí)現(xiàn)的，所以該結(jié)果也適用于連續(xù)狀態(tài)下的Er3+∶ZBLAN 激光器。

受材料和器件限制，國內(nèi)在中紅外波段起步較晚，本節(jié)匯總了我國在3 μm 波段Er3+∶ZBLAN激光器的所有研究成果，具體實(shí)驗(yàn)裝置如圖4 所示。2012 年，中國工程物理研究院黃園芳[21]采用如圖4（a）的空間耦合方式，使用Er3+∶ZBLAN 光纖搭建線性腔，在泵浦功率25 W 時，獲得了2.61 W的中紅外激光輸出，轉(zhuǎn)換效率為11.6%。2014年，西北核技術(shù)研究所沈炎龍[22]將光纖后端緊貼高反鏡，采用前端輸出結(jié)構(gòu)，獲得最大功率為0.98 W 的激光輸出，轉(zhuǎn)換效率17%。2015 年，他們[23]又對光路進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖4（b）所示，將光纖尾端的高反鏡替換為二相色鏡，并使用紫銅熱沉對光纖兩端進(jìn)行冷卻，得到最大功率9.2 W、斜率效率24.8%的激光輸出。2021 年，深圳大學(xué)郭春雨[24]采用全光纖結(jié)構(gòu)，如圖4（c）所示，在光纖內(nèi)直接刻寫高反光柵和低反光柵，使用合束器將3 束976 nm 泵浦光耦合進(jìn)增益光纖中，采用包層光濾除器和AlF3光纖端帽來提高光纖損傷閾值，該實(shí)驗(yàn)得到最大的轉(zhuǎn)換效率為18.6%，當(dāng)組合泵浦光功率為140 W 時，輸出功率20.3 W。2023年，天津大學(xué)張鈞翔[25]使用圖4（d）所示光路結(jié)構(gòu)，在Er3+∶ZBLAN 光纖前端熔接一段AlF3光纖做端帽，光纖入射端面采取水冷散熱，在單端泵浦功率為128 W 時，實(shí)現(xiàn)了33.8 W 的輸出，光光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)26.4%。這是目前我國3 μm 波段最大的輸出功率，同時也是國際上單端泵浦的最高輸出功率。表1 示出了3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 連續(xù)輸出激光器的技術(shù)研究進(jìn)展歷程。

圖4 國內(nèi)Er3+∶ZBLAN 激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 （a）線性腔結(jié)構(gòu)圖［21］；（b）激光器前端輸出裝置圖［23］；（c）全光纖結(jié)構(gòu)示意圖［24］；（d）熔有光纖端帽的激光器結(jié)構(gòu)圖［25］Fig.4 Schematic diagram of domestic Er3+∶ZBLAN laser structure.（a）Linear cavity structure diagram［21］.（b）Laser front-end output device diagram［23］.（c）Schematic diagram of all fiber structure［24］.（d）Diagram of the structure of a laser with a fiber end cap［25］

3 3 μm 波 段Er3+∶ZBLAN 脈 沖 激光器

脈沖激光器可以很短時間內(nèi)輸出大量能量，目前采用可飽和吸收體對光路進(jìn)行調(diào)Q和鎖模調(diào)制是實(shí)現(xiàn)脈沖激光器的主要方式。本節(jié)介紹了多種飽和吸收體材料及基于飽和吸收體實(shí)現(xiàn)的被動調(diào)Q和鎖模激光器。

3.1 飽和吸收體

材料的可飽和吸收特征可用泡利不相容原理來解釋：當(dāng)激光通過可飽和吸收體（SA）時，SA 表現(xiàn)出非線性效應(yīng)，即隨著激光強(qiáng)度的增加，SA 對光的吸收變小，光的透過率逐漸增加，當(dāng)激光強(qiáng)度超過閾值時，SA 達(dá)到飽和。目前，半導(dǎo)體可飽和吸收體（SESAM）是發(fā)展最為成熟的商用可飽和吸收體[26-29]，但其價格昂貴，最長工作范圍只能到3 μm。近年來，石墨烯、黑磷、Fe2+∶ZnSe、拓?fù)浣^緣體、過渡金屬硫化物等新型材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，已逐漸成為2.7～3 μm 波段可飽和吸收體熱門材料。

Fe2+∶ZnSe 具有較高的損傷閾值（2 J/cm2）和較小的飽和性（60 mJ/cm2），在激光器中可以輸出更高的功率和能量[30-34]。其上能級壽命較短，飽和恢復(fù)時間更快，更有利于短脈沖的實(shí)現(xiàn)。制備工藝簡單，一般采用熱擴(kuò)散和直接摻雜法進(jìn)行制備，同時也存在摻雜濃度不可控的缺點(diǎn)。

石墨烯屬于狄拉克材料[35-37]，具有零帶隙結(jié)構(gòu)，對可見光、近紅外、中紅外的光均有飽和吸收作用，一般采用機(jī)械剝離法和氣相法、液相法進(jìn)行制備。在3 μm 波段,石墨烯具有較低的鎖模閾值，使其在很小的泵浦功率下輸出鎖模脈沖，但材料的損傷閾值和調(diào)制深度也偏低，很難實(shí)現(xiàn)大功率的輸出。

拓?fù)浣^緣體飽和吸收鏡可以通過噴墨打印技術(shù)在金鏡上制備，其內(nèi)部為絕緣態(tài)，帶隙0.2～0.3 eV，對4～6 μm 的光有重吸收作用；外部是金屬態(tài)，屬零帶隙結(jié)構(gòu)，在可見光到中紅外均有吸收作用[38-44]。與石墨烯一樣受損傷閾值的限制，難以輸出高功率的激光。

用于3 μm 波段的過渡金屬硫化物有MoS2、WS2、WSe2、MoTe2等，其飽和吸收體制備簡單，可通過磁控濺射法和氣相沉積法制備[45-48]。假設(shè)材料無缺陷模式，其帶隙遠(yuǎn)大于0.41 eV，理論上無法實(shí)現(xiàn)獲取3 μm 波段的脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)；但缺陷模式的存在可以改變過渡金屬硫化物的帶隙，使其對中紅外波段的光也有吸收作用。目前已有的數(shù)據(jù)中，MoS2和石墨烯異質(zhì)層已實(shí)現(xiàn)調(diào)Q和鎖模輸出，MoTe2已實(shí)現(xiàn)調(diào)Q輸出，WS2已實(shí)現(xiàn)鎖模輸出，WSe2既能實(shí)現(xiàn)調(diào)Q輸出又能實(shí)現(xiàn)鎖模輸出。

黑磷是一種片狀結(jié)構(gòu)二維材料，工作范圍寬，其帶隙可通過材料的層數(shù)進(jìn)行控制，且隨層數(shù)增加而減小，單層黑磷帶隙為2 eV，多層黑磷帶隙為0.3 eV，對3 μm 波段的光有吸收作用。制備簡單，可大規(guī)模生產(chǎn)，一般通過液相剝離法和機(jī)械剝離法進(jìn)行制備和控制層數(shù)[49-51]。但由于黑磷在空氣中極易氧化，無法用于商業(yè)化推廣。

3.2 3 μm 波 段Er3+∶ZBLAN 調(diào)Q 激 光 器 研 究進(jìn)展

調(diào)Q指調(diào)節(jié)激光器中諧振腔的損耗，在激光器開始運(yùn)行時，可飽和吸收體具有較大的吸收系數(shù)，導(dǎo)致腔內(nèi)損耗大，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)大量積累，一段時間后飽和吸收體達(dá)到飽和，吸收系數(shù)降低，損耗降低，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)快速消耗，從而在很短的時間內(nèi)輸出很高功率脈沖激光。表2 示出了3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 激光器在調(diào)Q方面的技術(shù)研究進(jìn)展歷程。

表2 3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 調(diào)Q 激光器研究進(jìn)展Tab.2 Research progress of 3 μm band Er3+∶ZBLAN Q-switched laser

早在1996 年，F(xiàn)rerichs[52]在GaAs 襯底上制備了厚度為0.4 μm 的外延InAs 層，首次搭建出2.7μm 被動調(diào)Q光纖激光器，該激光器平均功率為1.4 mW，脈沖持續(xù)時間1.1 μs，最大峰值功率1.04 W，脈沖能量1.25 mJ。

2012 年，Wei[30]使 用Fe2+∶ZnSe 晶 體 做 飽 和 吸收體，在泵浦功率為2.8 W 時，得到了波長2.78μm、脈寬370 ns、輸 出功率300 mW 的調(diào)Q激光器，脈沖能量大于2.0 μJ，對應(yīng)的峰值功率5.34 W。后續(xù)他們[32]在光路中引入光柵作波長選擇器，得到了平均功率大于4 W、波長調(diào)諧范圍為2 762.5～2 852.5 nm 的被動調(diào)Q光纖激光器。Zhang 等[31]基于脈沖激光沉積（PLD）技術(shù)，制備了中 紅 外Fe2+∶ZnSe 薄 膜，與Fe2+∶ZnSe 晶 體 相 比，F(xiàn)e2+∶ZnSe 薄膜更易集成在光學(xué)元件上，使激光器結(jié)構(gòu)更加緊湊，在11.77 W 泵浦功率下，獲得了穩(wěn)定的調(diào)Q脈沖，脈沖能量為7.98 μJ，脈沖持續(xù)時間為0.742 μs，峰值功率為10.76 W，平均輸出功率為822 mW。Ning[33]使用氣相熱擴(kuò)散法和飛秒激光燒蝕法制備出Fe2+∶ZnSe 膠體（NCs）可飽和吸收體，所采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖5（a）所示，將光纖末端與飽和吸收鏡緊貼，實(shí)驗(yàn)獲得了峰值功率為7.30 W、脈沖寬度為0.52 μs、脈沖能量為3.81 μJ的2.8 μm 調(diào)Q輸出。此后幾年，研究人員相繼報道出一系列基于二維材料飽和吸收體的激光器。

圖5 3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 （a）Fe2+∶ZnSe NCs-SA 調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)圖［33］；（b）MoS2-SA 調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)圖［46］；（c）BP-SA 調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)圖［49］；（d）Ti2CTx-SA 調(diào)Q 激光器結(jié)構(gòu)圖［41］；（e）SESAM-SA 激光器MO 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖［26］Fig.5 Schematic diagram of the structure of a 3 μm band Er3+∶ZBLAN Q-switched laser.（a）Fe2+∶ZnSe NCs-SA Q-switched laser structure diagram［33］.（b）MoS2-SA Q-switched laser structure diagram［46］.（c）BP-SA Q-switched laser structure diagram［49］.（d）Ti2CTx-SA Q-switched laser structure diagram［41］.（e）SESAM-SA MO system structure diagram［26］

作為帶隙可調(diào)控的商用飽和吸收體，SESAM可同時作為飽和吸收體和色散補(bǔ)償鏡使用。Luo[26]將SESAM 置于光纖尾端構(gòu)成MO 系統(tǒng)，采取的結(jié)構(gòu)裝置見圖5（e），后面連接一個用976 nm 泵浦的摻鉺氟化光纖做一級放大器，得到輸出光的最大平均輸出功率為4.2 W，脈沖能量為58.87μJ。

石墨烯與拓?fù)浣^緣體同屬狄拉克材料，具有超寬的非線性響應(yīng)波段，是制備可飽和吸收體的重要材料。2013 年，Wei[35]使用石墨烯在長度分別為10 m 和2 m 的ZBLAN 光纖中均實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的調(diào)Q輸出。當(dāng)光纖長度為10 m 時，泵浦最大功率可用828 mW，平均輸出功率為62 mW，脈寬為2.9 μs；當(dāng)光纖長度縮短到2 m 時，泵浦最大功率420 mW，平均輸出功率為65 mW，脈沖寬度1 μs。同年，Tokita[36]在59 kHz 的重復(fù)頻率下也實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率為380 mW 的石墨烯調(diào)Q輸出。Tang[38]采用水熱法制備出的TI∶Bi2Te3-SA，在泵浦功率5.9 W 的條件下，獲得的調(diào)Q脈沖最大平均功率為856 mW，對應(yīng)的脈沖能量為9.3 μJ，脈沖寬 度 為1.3 μs，重 復(fù) 頻 率 為92 kHz。Liu[39]在Bi2Te3-SA 的激光器中插入光柵，實(shí)現(xiàn)了2 762～2 824 nm 范圍內(nèi)的可調(diào)諧調(diào)Q輸出。Jiang[40]將MXene 納米片直接噴墨打印在空間耦合的激光諧振腔中，得到的脈沖持續(xù)時間可達(dá)100 fs。同年，Yi[41]以Ti2AlC 為原料，采用Al 選擇性蝕刻法合成了Ti2CTx膜，利用圖5（d）所示結(jié)構(gòu)圖，在2.8 μm激光器中獲得輸出功率80 mW、重復(fù)頻率99.5 kHz、脈寬730 ns 的調(diào)Q脈沖。Duan[42]使用Ta2NiS5可飽和吸收體，在860 mW 的入射泵浦功率下，得到了脈沖持續(xù)時間1.2 μs、重復(fù)頻率102 kHz 的穩(wěn)定調(diào)Q脈沖。2023 年，葉珊珊[43]采用TiCN-SA 在650 mW 泵浦下得到了平均功率25.83 mW 調(diào)Q輸出。

狄拉克材料的成功打開了研究二維材料的大門，讓更多新型二維材料（如黑磷和過渡金屬硫化物）走入研究者的視野。Tang[45]采用水熱法制備了石墨烯/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在2.8 μm 處可以產(chǎn)生高達(dá)2.2 μJ 的脈沖能量，對應(yīng)的脈沖寬度和重復(fù)頻率分別為1.9 μs 和45 kHz，表明了石墨烯/MoS2異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以成為中紅外波段脈沖激光器的光學(xué)調(diào)制器件。Wang[46]制成了四層MoS2飽和吸收體，搭建出如圖5（b）所示“Z”型腔結(jié)構(gòu)，得到的輸出脈沖最大平均功率為140 mW，峰值功率為2.48 W，該功率下對應(yīng)的重復(fù)頻率和脈沖持續(xù)時間分別為70 kHz 和806 ns。Chen[47]使用新型材料制備出In2Se3-SA，在2.8 μm 處得到的調(diào)Q脈寬423.2 ns，對應(yīng)的最大脈沖能量和峰值功率分別為2.81 mJ 和5.71 W。2015 年，Qin[49]采用液相法制成黑磷可飽和吸收鏡（BP-SA），同樣采取如圖5（c）所示“Z”型腔結(jié)構(gòu)，在63 kHz 的重復(fù)頻率下，得到的調(diào)Q脈沖平均功率為485 mW，脈寬為1.18 μs。2018 年，該團(tuán)隊[51]又設(shè)計了全光纖結(jié)構(gòu)，將黑磷薄片黏附在增益光纖和多模氟化物光纖之間，再采用光纖連接器和適配器固定，得到平均功率18.4 mW、持續(xù)時間3.32 μs 的調(diào)Q輸出。但由于黑磷的不穩(wěn)定性，該材料無法實(shí)現(xiàn)長時間優(yōu)良的輸出。

3.3 3 μm 波 段Er3+∶ZBLAN 鎖 模 激 光 器 研 究進(jìn)展

激光器中振蕩的光有多種不同的相位，鎖模是指將諧振腔中光的相位鎖定，使有相位關(guān)系的光經(jīng)過疊加后光強(qiáng)更強(qiáng)，沒有相位關(guān)系的光疊加后光強(qiáng)變?nèi)?，飽和吸收體主要吸收弱光，對強(qiáng)光吸收能力小，從而輸出穩(wěn)定的大功率光模式。由于器件的限制，3 μm 波段鎖模技術(shù)較調(diào)Q起步較晚，技術(shù)成果也較少，表3 示出了3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 激光器在鎖模方面的技術(shù)研究進(jìn)展歷程。

表3 3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 鎖模激光器研究進(jìn)展Tab.3 Research progress of 3 μm band Er3+∶ZBLAN mode-locked laser

1996 年，F(xiàn)rerichs[52]使用InAs 作為可飽和吸收體首次獲得鎖模脈沖。該實(shí)驗(yàn)對于多模光纖，當(dāng)采用792 nm、162 mW 的泵浦時，獲得16 mW 輸出功率；對于單模光纖，當(dāng)采用450 mW、647 nm 的泵浦時，得到22 mW 輸出脈沖。受中紅外器件的限制，3 μm 波段鎖模激光器的研究在后續(xù)一段時間內(nèi)并沒有新的進(jìn)展。

直到2012 年，Wei[34]制備出Fe2+∶ZnSe 晶體飽和吸收體，成功搭建出輸出功率為51.4 mW、脈沖寬度為19 ps 的鎖模激光器。Fe2+∶ZnSe-SA 鎖模激光器的成功運(yùn)轉(zhuǎn)，正式拉開了新型材料飽和吸收體研究的帷幕，圖6 為幾種材料鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 3 μm 波段Er3+∶ZBLAN 鎖模激光器結(jié)構(gòu)示意圖。 （a）SESAM-SA 鎖模激光器結(jié)構(gòu)圖［29］；（b）BP-SA 鎖模激光器結(jié)構(gòu)圖［51］；（c）MXene-SA 鎖模激光器結(jié)構(gòu)圖［44］；（d）WSe2-SA 鎖模激光器結(jié)構(gòu)圖［48］Fig.6 Schematic diagram of the structure of a 3 μm band Er3+∶ZBLAN mode-locked laser.（a）SESAM-SA mode-locked laser structure diagram［29］.（b）BP-SA mode-locked laser structure diagram［51］.（c）MXene-SA mode-locked laser structure diagram［44］.（d）WSe2-SA mode-locked laser structure diagram［48］

作為應(yīng)用研究最深入的飽和吸收體，SESAM在中紅外鎖模方面有著優(yōu)異的輸出結(jié)果。2014年，加拿大Haboucha[27]采用線性直型腔結(jié)構(gòu)，使用SESAM 做可飽和吸收體，得到的輸出脈沖序列的重復(fù)頻率為51.75 MHz，脈沖持續(xù)時間為60 ps，平均功率為440 mW。2015 年，Tang[28]在光纖尾端使用兩個凹面高反鏡組成Z 型腔結(jié)構(gòu)以避免腔內(nèi)反饋的產(chǎn)生，得到重復(fù)頻率22.56 MHz、峰值功率1.86 kW、脈寬25 ps 鎖模脈沖。閃耀光柵在光路中可以起到鎖模和調(diào)諧波長的作用，2017 年，Shen[29]將其引入光路中，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6（a）所示，得到的激光器波長調(diào)諧范圍為2 710～2 820 nm，鎖模脈沖寬度6.4 ps，峰值功率1.1 kW，重復(fù)頻率28.9 MHz。

對黑磷研究較為深入的是上海交通大學(xué)。2015 年，Qin[50]將黑磷薄片放置在反射率為99%鍍金鏡上制成BP SAM，采用“Z 型腔”結(jié)構(gòu)，獲得了峰值功率608 W、脈沖寬度42 ps 的鎖模脈沖。2018 年，該課題組[51]又設(shè)計了全光纖實(shí)驗(yàn)裝置，對應(yīng)的激光器結(jié)構(gòu)如圖6（b）所示，采用光纖連接器和適配器將泵浦尾纖、增益光纖和黑磷薄片相連，在2 771.1 nm 波長處獲得平均功率為6.2 mW、重復(fù)頻率為27.4 MHz 的鎖模脈沖。

2016 年，Zhu[37]將多層石墨烯涂敷在金鏡上制成石墨烯飽和吸收體，為了降低腔內(nèi)損耗，SA 放置位置與光纖尾端成4°夾角，實(shí)驗(yàn)獲得了2.78μm 的鎖模脈沖，平均輸出功率為18 mW，脈沖寬度為42 ps，重復(fù)頻率為25.4 MHz。

2019 年，Guo[48]使 用CVD 技 術(shù) 制 得WSe2-SAM，實(shí)驗(yàn)裝置如圖6（d）所示。光纖兩端放置銅質(zhì)熱沉進(jìn)行散熱，激光器輸出的脈沖持續(xù)時間為21 ps，重復(fù)頻率為42.43 MHz，平均輸出功率高達(dá)360 mW。

2021 年，Bharathan[44]使用光纖連接器將泵浦光纖與ZBLAN 光纖連接起來，光纖輸入端刻入高功率啁啾布拉格光柵，通過噴墨打印技術(shù)將12 層MXene 直接沉積在50%輸出耦合器上，實(shí)現(xiàn)了真正的中紅外全光纖結(jié)構(gòu)。如圖6（c）所示，輸出的鎖模脈沖重復(fù)頻率37 MHz，平均功率603 mW，這是目前唯一實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模的拓?fù)浣^緣體材料。

4 3 μm 波段激光的應(yīng)用

4.1 光通信

光通信是以光波為載體在自由空間內(nèi)進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞健? μm 波段處于中短紅外大氣窗口，對H2O 和CO2具有更強(qiáng)吸收作用，且受惡劣天氣的影響比近紅外波段要小，具有更小的閃爍效應(yīng)和更高的抗噪性，可以穿透霧、霾、煙甚至長距離的大氣[53-54]。

4.2 軍事應(yīng)用

我國紅外導(dǎo)彈的響應(yīng)波段大多位于1～5 μm，而中紅外波段對應(yīng)較高的峰值輻射溫度，更適合熱源的監(jiān)測。應(yīng)用在軍事航天方面的中紅外激光具有紅外檢測、自動目標(biāo)識別、圖像實(shí)時處理等功能，能夠在高對抗環(huán)境下，輔助飛機(jī)進(jìn)行空中偵察反擊。此外，紅外探測器技術(shù)還可用于欺騙與損壞敵方導(dǎo)彈的發(fā)射源[55-56]。

4.3 氣體監(jiān)測

激光傳感器目前廣泛應(yīng)用在管道監(jiān)測、工業(yè)過程和氣體分析中，通過激光誘導(dǎo)熒光光譜、激光誘導(dǎo)擊穿光譜、吸收測量和倏逝場光譜來實(shí)現(xiàn)。由于H2O、CO、NO2、NO、CO2、SO2、H2S 等分子在中紅外波段都有基本躍遷，3 μm 波段對這些氣體的吸收性比近紅外波段強(qiáng)大約100 倍，因此中紅外激光更適用于多種微量氣體監(jiān)測[57]。

4.4 生物醫(yī)學(xué)

人體組織的主要成分是水分子，而3 μm 波段處于水分子吸收峰，可以選擇性地激勵水分子，以熱交換和沖擊波形式更快地切割肌肉組織，具有遠(yuǎn)程操控、微創(chuàng)操作的優(yōu)點(diǎn)。醫(yī)學(xué)方面要求“手術(shù)刀”要在期望的位置進(jìn)行清潔、精確的切割，同時對相鄰組織的損傷最小，因此激光輻射必須被吸收在非常薄的組織層中。1989 年，Esterowitz 研究發(fā)現(xiàn)2.7 μm、2.3 μm 和1.9 μm 的光在組織中的吸收系數(shù)分別約為1 000 cm-1、80 cm-1和30 cm-1，證實(shí)了2.7 μm 的激光可以提供很大的消融速率，同時對鄰近組織的損傷很小[58]。

4.5 做泵浦光源

近幾年來，研究者使用3 μm 激光做泵浦源，通過光參量振蕩技術(shù)或?qū)e2+∶ZnSe晶體進(jìn)行激發(fā)，可以得到更長波段的輸出光。近期，俄羅斯Pushkin[59]使用3 μm 光纖激光器做光學(xué)泵浦，F(xiàn)e2+∶ZnSe 做增益介質(zhì)，產(chǎn)生了中心波長在4 012～4 198 nm 之間可調(diào)諧的輸出光，輸出功率為2.1 W。目前，產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外波段光纖激光器的輸出均不高，主要原因還是氟化物光纖的光熱性能與機(jī)械性能較差，優(yōu)化氟化物光纖的制備工藝與器件基礎(chǔ)是提高輸出功率最有效的途徑之一。

5 結(jié)論及展望

中紅外3 μm 激光獨(dú)有的光學(xué)特性使其在各領(lǐng)域均有極大的應(yīng)用價值。盡管近年來中紅外脈沖激光器發(fā)展迅速，但仍存在一些未攻克的技術(shù)難題。增強(qiáng)光纖材料本身的物化性質(zhì)、提高中紅外器件的制備工藝、提高飽和吸收體的損傷閾值都是進(jìn)一步增加激光器輸出功率的有效措施，下面總結(jié)了未來中紅外激光器主要的發(fā)展方向：

提高泵浦轉(zhuǎn)化效率。產(chǎn)生3 μm 激光最直接的方式就是采用976 nm 商用InGaAs 激光器直接泵浦，但受能級壽命的影響，泵浦與輸出激光的轉(zhuǎn)換效率無法超過35%。通過優(yōu)化泵浦源，可以減少光子損耗，從而提高光光轉(zhuǎn)化效率。2017 年，Aydin[60]采用2.8 μm 和1.7 μm 雙端泵浦，通過級聯(lián)處的鉺離子的相鄰躍遷，可以減少2.8 μm 躍遷時低能級粒子數(shù)，這種對激發(fā)態(tài)有效的吸收過程可以將光子循環(huán)到激光上能級，在2.8 μm 處輸出斜率效率達(dá)到50%，超過斯托克斯轉(zhuǎn)換極限15%。目前采用1.7 μm 做輔助泵浦時得到的輸出功率很低，如何在提高其轉(zhuǎn)換效率的同時實(shí)現(xiàn)高功率輸出，是未來研究的一大難點(diǎn)。

全光纖工藝的商業(yè)化。激光輸出可以通過空間耦合和全光纖兩種結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，空間耦合是最常用的方法，但容易造成端熱損傷，目前最大輸出功率只有33.8 W，而全光纖結(jié)構(gòu)最高輸出功率可達(dá)41.6 W。實(shí)現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)有兩大難點(diǎn)，一是采用先進(jìn)的CO2激光熔接技術(shù)將氟化物光纖與泵浦尾纖相連；二是在光纖兩端刻入光纖光柵來取代兩端的高反鏡，從而減少諧振腔的損耗。這兩種工藝需要很高端的設(shè)備和技術(shù)[61]。目前，加拿大拉瓦爾大學(xué)[16-19]對ZBLAN 光纖光柵的研究最為成熟；此外，澳大利亞麥考瑞大學(xué)[62]和悉尼大學(xué)[63]、日本大阪大學(xué)[64]也有相關(guān)研究成果。目前，我國只有深圳大學(xué)[24]完成了全光纖的搭建，成功地在Er3+∶ZBLAN光纖中刻入光柵，輸出功率為20.3 W?？傮w而言，我國在全光纖工藝方面相比國際水平還有一定的差距，而中紅外全光纖技術(shù)與器件的商業(yè)化推廣必將是未來高功率中紅外激光器的發(fā)展方向。

ZBLAN 光纖材料的拉制。ZBLAN 玻璃是一種相對成熟的基質(zhì)材料[65]，由于氟化物玻璃機(jī)械性能差，光纖在拉制成型過程中困難重重。目前報道的3 μm 光纖激光器使用的氟化物光纖多為法國 Le Verre Fluore 公司和日本Fiberlabs 公司所生產(chǎn)，生產(chǎn)工藝已十分成熟。近年來，我國在氟化物玻璃基質(zhì)方面也開展了一系列研究，如中國科學(xué)院上海光機(jī)所制備了Er3+/Tm3+共摻的 ZBLAN玻璃和光纖[66]，在793 nm 和980 nm 激光激發(fā)下，產(chǎn)生了1 390～1 580 nm、1 800～1 980 nm、2 625～2 750 nm 的熒光光譜，取得了很好的發(fā)光效果。然而，該技術(shù)目前只能在實(shí)驗(yàn)室條件下完成，尚不能滿足商業(yè)化生產(chǎn)需求。國內(nèi)目前并沒有氟化物光纖拉制技術(shù)成熟的機(jī)構(gòu)，短期內(nèi)對氟化物光纖的使用仍會受到限制。

光纖端面處理。當(dāng)氟化物光纖的尖端暴露于環(huán)境空氣中時，水蒸氣與光纖組分發(fā)生反應(yīng)，主要的反應(yīng)產(chǎn)物為羥基氟化鋯和氟氧化合物，根據(jù)菲克定律，這些反應(yīng)產(chǎn)物會吸收3 μm 的激光，導(dǎo)致大量的熱量沉積在光纖尖端。2001 年，F(xiàn)rischat[67]報道了AlF3基玻璃在水中的穩(wěn)定性大約是ZrF4基玻璃的10 倍，證明AlF3可以作端帽熔接在ZBLAN光纖端面，從而提高尖端的損傷閾值。除了熔接端帽這一方法，還可以通過水冷的方式來減少端面熱積累，或鼓吹氮?dú)鈦頊p少端面與空氣中水分的接觸等方式來減少熱損傷。

飽和吸收體的優(yōu)化。飽和吸收體是最常用的鎖模調(diào)制器件，由于材料本身的物化性質(zhì)，現(xiàn)階段研究人員并未找到適用于3 μm 波段的完美的可飽和吸收體材料。從近紅外波段的經(jīng)驗(yàn)可以得知，混合材料具有比單一材料更大的調(diào)制深度和更高的損傷閾值，更易輸出高質(zhì)量脈沖。此外，提高飽和吸收體的合成工藝，在制備過程中對材料的飽和吸收系數(shù)進(jìn)行精確的控制，可以有效提高激光器本身的脈沖性能。

與其他激光器相比，光纖激光器更加緊湊高效，更適用于軍事和醫(yī)療領(lǐng)域。隨著國家對3 μm激光器需求的增加，中紅外光纖激光器在未來有望實(shí)現(xiàn)高功率、低成本、商業(yè)化發(fā)展。

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