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      光纖激光器技術(shù)

      高功率激光合束技術(shù)、超短超快脈沖光纖激光器技術(shù)

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      中紅外光纖激光器技術(shù)進(jìn)展

      時(shí)間:2020-12-18   訪(fǎng)問(wèn)量:2305

       [轉載自《電信技術(shù)研究》,作者楚秋慧]

      1、引言

            中紅外波段(波長(cháng)為2.5~10μm)激光在國防、醫療、通信等方面有著(zhù)重要的應用。在醫療領(lǐng)域,由于中紅外波段位于水分子的吸收峰,在醫學(xué)領(lǐng)域有廣闊應用空間。水分子在2μm和2.8μm附近有強中紅外吸收峰,因此利用工作波長(cháng)在該波段的激光器可以用在醫學(xué)上的激光微治療和組織切除手術(shù),當中紅外波段的激光作用在皮膚上時(shí),其能量迅速被肌肉組織吸收,導致肌肉組織的迅速氣化分離和精密剝脫,具有作用深度淺且傷口愈合快的優(yōu)勢。

       

            在激光加工領(lǐng)域,2.0μm波段激光在塑料材料激光切割、焊接等應用領(lǐng)域有重要地位,塑料材料對從紫外到近紅外的激光基本是透明的,傳統的1μm波段激光不利用加工塑料材料,而大部分常見(jiàn)聚合物在波長(cháng)包含2.0μm的中紅外波段有強烈的吸收帶,因此可以利用2.0μm波段的中紅外激光進(jìn)行聚合物加工(如切割與焊接)等。

       

            另外,中紅外波段包含3~5μm及8?12μm的大氣窗口及分子“指紋”區,具有廣泛的應用前景“指紋"區對應多數分子的特征吸收譜,因此可以利用中紅外激光來(lái)進(jìn)行認 證有機化合物、毒氣監測、疾病診斷等。圖1為從可見(jiàn)光到中紅外波段的大氣透過(guò)率曲線(xiàn),中紅外波段處于大氣透明窗口,此波段對大霧、煙塵等具有較高的透過(guò)能力,在空氣中傳輸時(shí)受分子散射小,因此中紅外脈沖激光可使用于激光測距、遠程遙感、無(wú)線(xiàn)通訊等方面應用。

       

           在軍事領(lǐng)域,紅外制導預警機和導彈的威脅日趨嚴重,許多國家的軍事機構都在積極研究中紅外激光的定向干擾技術(shù)。軍用偵査衛星、導航衛星和通訊衛星等已經(jīng)成為戰場(chǎng)作戰行動(dòng)的重要支援保障系統,而大部分衛星的電光傳感器的響應范圍為2.5?3.3μm波段,而中紅外超短脈沖激光可以在瞬間提供很高的峰值功率則足以干擾和損傷這些探測器件。

       

            中紅外波段激光器的廣闊應用前景,在近年來(lái)引起研究者的廣泛關(guān)注。目前與整個(gè)激光器市場(chǎng)相比,中紅外激光器市場(chǎng)相對較小,但其增長(cháng)速度比整個(gè)激光器市場(chǎng)快近四倍,這使得中紅外激光器市場(chǎng)成為最有活力的市場(chǎng)之一。中紅外波段激光器的產(chǎn)生方法有很多,如半導體量子級聯(lián)激光器、光學(xué)倍頻激光器、過(guò)渡金屬元素摻雜II-VI族化合物激光器、光纖激光器等,其中由于光纖激光器具有效率高、散熱效果好、光束質(zhì)量好、運行穩定、體積緊湊 等優(yōu)點(diǎn),而在光通信、機械制造、醫療和國防等應用中表現出獨特的優(yōu)勢。目前,基于光纖 結構實(shí)現中紅外波段激光輸岀的方式主要有稀 土摻雜光纖激光器,利用超短脈沖激光泵浦中 紅外光纖獲得超連續譜激光輸出和通過(guò)拉曼散 射方式獲得中紅外波段激光輸出,本文介紹將這幾種激光器的產(chǎn)生原理、研究進(jìn)展與應用。

       

      2、中紅外光纖激光器
      2.1 稀土摻雜中紅外光纖激光器

             稀土摻雜中紅外光纖激光器就是在光纖激光器的基礎上,通過(guò)改變光纖材料和摻雜離子種類(lèi)等手段來(lái)控制能產(chǎn)生諧振的波長(cháng),使激光器輸出中紅外波段激光。

       

             目前,產(chǎn)生可見(jiàn)光和近紅外波段光纖激光器的光纖主要是石英光纖,但是由于石英光纖在中紅外波段共振吸收系數大,使中紅外光纖激光器無(wú)法用石英玻璃光纖產(chǎn)生,因此需要釆用在中紅外波段具有低的聲子損耗的新基質(zhì)光纖。目前,用于產(chǎn)生中紅外光纖激光器的光纖主要有重金屬氧化物光纖(如亞硫酸鹽、銬酸鹽等)、鹵化物光纖(如氟 化物(ZBLAN)、氯化物等)和硫化物光纖(如 As2S3, As2Se3),此類(lèi)光纖在中紅外波段具有 較低的聲子能量,對稀土離子有較好的溶解性,且折射率較高。而多種稀土離子Tm3+,Ho3+, Er3+,Dy3+能夠在中紅外波段發(fā)光,其能級躍遷示意圖如圖2所示常用于制作中紅外光纖激光器。

            Tm3+摻雜的緒酸鹽、亞磷酸鹽、ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)光纖常用于產(chǎn)生2μm波段光纖激光,它是由Tm3+的能級躍遷3F4->3H6產(chǎn)生的。2000年,Tm3+摻雜的光纖激光器的輸出功率僅為14W。2010年,美國的Nufern公司采用MOPA結構,使用兩個(gè)放大級對Tm3+摻雜的光纖進(jìn)行放大,得到輸出功率為>1kW,是目前該波段的最高輸出功率。

       

           Er3+、Ho3+和Dy3+摻雜的ZBLAN光纖激光器能夠產(chǎn)生2.7-3μm范圍的激光輸出,其中Er3+離子能夠被976nm半導體激光器直接泵浦,所以Er3+的4I11/2-4I13/2躍遷是目前該波段激光產(chǎn)生的主要方式。2007年,Zhu和Jain使用高摻雜Er3+的ZBLAN光纖產(chǎn)生了10W量級的激光器。2009年,Tokita使用類(lèi)似的技術(shù)和主動(dòng)冷卻,在3μm波段產(chǎn)生了24W激光輸出,是目前該波段Er3+摻雜光纖激光器輸出的最高功率冏。Ho3+和Dy3+摻雜ZBLAN光纖激 光器能夠產(chǎn)生更長(cháng)波長(cháng)的激光輸出,因此得到了很大關(guān)注。Jackson通過(guò)使用Yb3+摻雜的光纖激光器作為泵浦源泵浦Ho3+、Pr3+共同摻雜的ZBLAN光纖產(chǎn)生了瓦量級的激光器。Dy3+摻雜ZBLAN光纖激光器能夠產(chǎn)生2.9μm的激 光,但是由于它的下能級為原子基態(tài),閾值高, 輸出功率僅為0.3W。

       

            與1μm和1.5μm光纖激光器相比,2μm和3μm波段的光纖激光器輸岀功率如圖3所示,由圖可知3μm波段激光輸岀功率相對較低,通過(guò)采用更為有效的泵浦源,有效抑制光學(xué)損耗和熱效應,可將3μm波段光纖激光器輸出功率進(jìn)一步提高。

           3~4μm波段的稀土離子摻雜光纖主要釆用ZBLAN光纖實(shí)現,例如:摻Ho3+可以實(shí)現3.22μm和3.95μm激光輸岀,摻Er3+可以實(shí)現3.45μm輸出。但是目前為止3.45-3.95μm的激光輸出必須在冷卻條件下實(shí)現。因此,如何在室溫條件下實(shí)現高功率3?5μm的中紅外激光輸出,是未來(lái)一個(gè)非常重要的研究方向。



          由于硫化物光纖低損耗傳輸波段更寬(?1-20μm),因此使用稀土離子摻雜硫化物光纖可以實(shí)現更長(cháng)波長(cháng)的激光輸出。但是制備硫化物光纖的純度和毒性控制成為制約硫化物光纖發(fā)展的瓶頸。因此,克服這些困難并且選擇合適的摻雜濃度,將會(huì )實(shí)現硫化物光纖激光器低損耗、 高功率激光輸出。表1給出了波長(cháng)大于稀土離子摻雜光纖激光器近年來(lái)的典型實(shí)驗數據。在實(shí)驗上,主要是釆用Ho3+和Er3+摻雜ZBLAN光纖,輸出波長(cháng)大于3μm,但目前輸出功率還在10mW量級,而對于銬酸鹽、硒化物光纖,主要還處于理論模擬階段。

       

      2.2 拉曼中紅外光纖激光器
             稀土摻雜光纖激光器的輸出波長(cháng),因稀土離子能級躍遷的限制,只能覆蓋有限的光譜范圍,限制了其應用領(lǐng)域。而理論上基于光纖中受激拉曼散射效應的拉曼光纖激光器只要有合適的泵浦源和諧振腔,就可以產(chǎn)生任意波長(cháng)的Stokes光,因此拉曼光纖激光器是拓展光纖激光器波長(cháng)范圍的有效手段。近年來(lái),中紅外拉曼光纖激光器也得到了快速發(fā)展。

               一級和二級拉曼光纖激光器的基本結構分布如圖4(a)、(b)所示,對于一級中紅外拉曼激光器,泵浦源常使用2?3μm波段光纖激光器,圖中增益介質(zhì)為亞確酸鹽光纖,在光纖兩端寫(xiě)入具有適當反射率的Bragg光柵,其中HR@λp對泵浦光高反,保證光纖對泵浦光的充分吸收,HR@λ1和PP@λ1組成諧振腔對產(chǎn)生的拉曼激光進(jìn)行反饋,中心波長(cháng)對應于Stokes光的波長(cháng),當泵浦光功率超過(guò)拉曼閾值功率時(shí),形成激光振蕩產(chǎn)生相應的激光。對于二級拉曼光纖激光器,HR@λ1和PP@λ1組成諧振腔對產(chǎn)生的一級拉曼激光進(jìn)行反饋,當一級拉曼激光功率超過(guò)一定閾值時(shí),一級拉曼激光會(huì )作為泵浦源激發(fā)產(chǎn)生二級拉曼激光,HR@λ2和PP@λ2組成二級拉曼激光的諧振腔。使用氟化物、亞備酸鹽、硫化物光纖能夠產(chǎn)生中紅外激光。


       

             2006年,悉尼大學(xué)光纖技術(shù)中心以2051nm的摻鉉石英光纖激光器為泵浦源,使用As2S3光纖為增益介質(zhì),獲得了2062nm功率為0.64W的拉曼激光器。2012年,拉瓦爾大學(xué)的M.Bernier等人使用單模As2S3硫化物光纖在3.005μm泵浦源的泵浦下實(shí)現了輸出波長(cháng)為3.34μm的拉曼光纖激光器,這是首次在A(yíng)s2S3光纖中實(shí)現輸出波長(cháng)>3μm的拉曼激光輸出,為更長(cháng)波長(cháng)中紅外光纖拉曼激光器發(fā)展奠定了基礎(結構圖如圖5所示)。它采用波長(cháng)為3.005μm的準連續摻鉗氟化物光纖激光器為泵浦源,以3 m長(cháng)的單模As2S3硫化物光纖為增益介質(zhì),得到輸出波長(cháng)為3.34μm, 斜率效率39%,最大峰值功率為0.6W,最大平均輸出功率為47mW的激光輸出。2015年,拉瓦爾大學(xué)再次實(shí)現3.77μm的拉曼光纖激光輸出,功率為9mW。釆用二氧化硅光纖可得到的波長(cháng)有限,2015年報道了采用二氧化硅光纖實(shí)現了2.48μm波長(cháng)、0.15W功率輸出拉曼激光器,是目前采用二氧化硅光纖實(shí)現的最長(cháng)波長(cháng)輸出。

       

      相對于硫化物光纖,亞磷酸鹽光纖熱穩定性好,具有更寬的拉曼增益線(xiàn)寬(?300^-1)和更大的拉曼頻移(?750cm^-1),利用這些優(yōu)點(diǎn)可以制作性能更好的拉曼光纖激光器。2013年, Gongwen Zhu等人使用亞礦酸鹽光纖對3~5 μm波段拉曼光纖激光器進(jìn)行了數值模擬,輸出功率可達到10W量級,因此亞磷酸鹽光纖將在拉曼光纖激光器產(chǎn)生更長(cháng)波長(cháng)、更高功率輸出上有進(jìn)一步發(fā)展。

       

      2.3 中紅外超連續譜光纖激光器

            超連續譜是指窄脈沖在非線(xiàn)性光學(xué)介質(zhì)中經(jīng)過(guò)非線(xiàn)性效應和色散的共同作用,使脈沖頻譜得到極大展寬的光譜。中紅外超連續譜由于覆蓋了很多生物分子的指紋區,因此中紅外高功率超連續譜在生物醫學(xué)、中紅外傳感、污染物監測、物體識別等領(lǐng)域有重要應用前景。

       

            中紅外超連續譜主要釆用氟化物、磷酸鹽和硫系玻璃光纖,它們非線(xiàn)性系數大,中紅外透射性能好,適合產(chǎn)生中紅外超連續譜,而且硫系玻璃光纖的透射范圍可達到遠紅外波段, 理論上能夠產(chǎn)生中紅外到遠紅外的超連續譜。

       

            近年來(lái),美國、日本、法國等國家用ZBLAN光纖為非線(xiàn)性介質(zhì)產(chǎn)生中紅外超連續譜。2009年,美國密西根大學(xué)實(shí)現了輸出光譜范圍為 0.8-4μm 、平均輸出功率為10.5W的中紅外超連續譜,這是目前利用ZBLAN氟化物光纖獲得的1?4μm超連續激光的最高輸出功率。在國內,2012年6月,國防科技大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院利用ZBLAN單模光纖作為非線(xiàn)性介質(zhì),在國內首次實(shí)現了 1.9?4.3μm全光纖中紅外超連續譜光纖,光譜穩定性好,輸出功率為185mW,目前   他們實(shí)現了輸出功率為7.1W的中紅外超連續譜。由于ZBLAN的透射波長(cháng)范圍為0.5-4.5μm ,因此利用ZBLAN光纖基本無(wú)法實(shí)現更高波長(cháng)的超連續譜。

       

            由于硫化玻璃光纖是目前光纖材料中在中紅外波段透明窗口最大的光纖,因此可用于產(chǎn) 生覆蓋更大波長(cháng)范圍的超連續譜。常使用微結 構硫化物光纖和拉錐光纖產(chǎn)生超連續譜,以非線(xiàn)性薛定愕方程為理論模型,釆用分步傅里葉計算方法,對中紅外超連續譜的產(chǎn)生機制進(jìn)行模擬,表明脈沖傳輸初始階段,頻譜展寬是由自相位調制引起,隨后有交叉相位調制,拉曼效應作用使頻譜進(jìn)一步展寬。另外,脈沖分裂產(chǎn)生的色散波也是頻譜展寬的重要因素。2014年,丹麥科學(xué)家Christian等利用硫化玻璃 光纖已經(jīng)能夠產(chǎn)生1.4?13.3μm范圍的超連續譜。2015 年,澳大利亞的Barry Luther-Dacies 等也產(chǎn)生了覆蓋范圍從<2μm到>11μm的超連續譜,平均輸出功率約20mW,是目前該波段超連續譜的典型輸出功率值。2013年, Chen Wei等人釆用3μm波段泵浦源進(jìn)行模擬,得到硫系光子晶體光纖產(chǎn)生的超連續譜輸出功率可得到很大提高,因此基于硫化玻璃光纖的超連續譜輸出功率有待進(jìn)一步提升。

       

      2.4 幾種中紅外光纖激光器方案對比

        目前,2μm波段摻鉉光纖激光器輸出功率己到達千瓦量級,技術(shù)相對比較成熟,是實(shí)現中紅外高功率光纖激光器的首要選擇,而3μm波段ZBLAN光纖激光器也得到了很大進(jìn)展,更長(cháng)波長(cháng)的硫化物光纖激光器也是未來(lái)中紅外光纖激光器的重要發(fā)展方向。稀土摻雜的光纖激光器對于實(shí)現高功率中紅外光纖激光器有較大潛力。而中紅外拉曼激光器和中紅外超連續激光器通常需要以稀土摻雜的激光器為激光源泵浦中紅外光纖介質(zhì),因此中紅外稀土摻雜光纖激光器的發(fā)展是進(jìn)一步發(fā)展中紅外拉曼激光器和超連續譜的基礎。在進(jìn)行中紅外光纖激光器研究時(shí),可先發(fā)展稀土摻雜的中紅外光纖激光器,在此基礎上進(jìn)一步拓展中紅外光纖激光 器的研究范圍。

       

      3、國內外研究機構及進(jìn)展

            近年來(lái),國內外有很多研究機構對中紅外光纖激光器進(jìn)行研究,取得了很大進(jìn)展。在2μm波段,IPG公司、Nufern公司、Q-peak公司、諾格公司、美國亞利桑那大學(xué)等在對高功率連續摻鑰和摻秋光纖激光器做了大量研究并處于領(lǐng)先地位。Q-peak公司目前已實(shí)現大于1kW的摻荏光纖激光功率輸出。IPG公司在摻銩光纖激光上實(shí)現了單模415W的高功率輸出。美國的Northrop Grumman公司實(shí)現了單頻連續摻袱光纖激光器608W單頻、單縱模激光輸出,這是目前所有波長(cháng)下單頻單模光纖激光器的最高功率輸出,甚至超過(guò)了以往報道的1μm波段的最高輸出功率。

       

            國內方面,對中紅外光纖激光器的研究工作起步較晚且主要圍繞摻銩光纖激光器,與國外有較大差距。目前,國內主要的研究單位有清華大學(xué)、中國科學(xué)院上海光機所、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)光電子研究所、國防科技大學(xué)、電子科技大學(xué)等。在2μm波段,國內的最高功率是清華大學(xué)光子與電子技術(shù)研究室在2014年報道的連續摻銩光纖激光器,輸出功率為227W,光光效率為51.2%。實(shí)驗采用七個(gè)輸出功率為70W、波長(cháng)為790nm的LD作為泵浦源,采用 TEC制冷保證輸出波長(cháng)的穩定性,使用25/250μm的雙包層光纖。國防科技大學(xué)于2011年開(kāi)展了高功率摻鉉光纖激光器的理論與實(shí)驗研究,并成功實(shí)現了MOPA結構百萬(wàn)級摻鉉光纖激光輸出,并于2013年開(kāi)展摻秋高功率光纖激光器的理論研究。

       

           在3μm波段,主要研究工作是圍繞Er3+:ZBLAN 和 Ho3+/Pr3+:ZBLAN 光纖激光器展開(kāi)。主要研究機構有日本京都大學(xué)、加拿大拉瓦爾大學(xué)、澳大利亞悉尼大學(xué)、美國亞利桑那大學(xué)、美國斯坦福大學(xué)、上海光機所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、電子科技大學(xué)等。2009年,日本京都大學(xué)實(shí)現了冷卻條件下2.7μm摻鉺中紅外激光器輸出,功率達24W,采用目前日本分子技術(shù)研究所研制的中紅外Er3+:ZBLAN光纖,理論分析,具有單根波長(cháng)2.8μm激光輸出功率超過(guò)百瓦潛力。加拿大拉瓦爾大學(xué)于2009 年,利用飛秒激光器在ZBLAN光纖上刻寫(xiě)了光纖光柵,實(shí)現高穩定性全光纖摻但激光器輸出,2011年將全光纖摻Er3+:ZBLAN激光器的輸出功率提高至20.6w。國內電子科技大學(xué)的李劍鋒課題組對中紅外摻Ho3+氟化物光纖激光器做了模擬及實(shí)驗研究,輸出功率達0.77 W ,同時(shí)實(shí)現了3μm可調諧的調Q光纖激光輸出。中國工程物理研究院應用電子學(xué)研究所對中紅外光纖激光器進(jìn)行了較為系統的研究,在國內首次獲得了功率數瓦級、波長(cháng)2.79 μm中紅外光纖激光輸出,目前正在繼續開(kāi)展優(yōu)化工作,期望獲得更高功率的中紅外激光輸出。

       

           對于硫系光纖拉曼激光器,主要的研究機構有日本NIT公司的光電實(shí)驗室、美國海軍實(shí)驗室、澳大利亞悉尼大學(xué)、加拿大拉瓦爾大學(xué)、中國電子科技大學(xué)等。澳大利亞悉尼大學(xué)光纖技術(shù)中心以As2S3光纖為增益介質(zhì)的拉曼光纖激光束輸出波長(cháng)為2062 nm ,輸出功率達0.64W。加拿大拉瓦爾大學(xué)的基于氟化物光纖輸出波長(cháng)為2μm波段的光纖拉曼激光器的輸出功率達到瓦量級。拉瓦爾大學(xué)利用硫化物光纖獲得了 2μm波段0.64W的拉曼激光,并獲得了波長(cháng)大于3μm的拉曼激光,最長(cháng)達到了3.77μm。國內對硫化物光纖拉曼激光器的研究 基本還處于仿真與模擬階段。

      對于中紅外超連續譜,國內的研究機構主要有國防科技大學(xué)、湖南大學(xué)、電子科技大學(xué)等,2012年,國防科技大學(xué)研制出全光纖結構的中紅外超連續光源,平均功率為108mW, 是國內首次實(shí)現1.9?4.3μm全光纖中紅外超連續譜光源,目前平均功率己達到13W。

       

      4、結論
          中紅外光纖激光器在醫學(xué)、通信、軍事等領(lǐng)域都有重要應用,近年來(lái)得到了快速發(fā)展。中紅外光纖激光器目前主要有稀土摻雜光纖激光器,拉曼光纖激光器和中紅外超連續譜,本文對幾類(lèi)中紅外光纖激光器的產(chǎn)生方法和發(fā)展狀況進(jìn)行了概述。但是中紅外光纖激光器的發(fā)展需要進(jìn)一步研究解決的問(wèn)題還很多,主要有 以下幾個(gè)方面: 
      (1) 中紅外光纖激光器輸出功率的受限因 素主要是泵浦源亮度、光纖熱損害和非線(xiàn)性效應,要提高中紅外光纖激光器的輸出功率還需要進(jìn)一步解決該問(wèn)題;
      (2) 中紅外光纖的進(jìn)一步發(fā)展。改進(jìn)提純工藝,降低玻璃和光纖光學(xué)損耗。中紅外光纖主要包括氟化物光纖和硫化物光纖,但是目前氟化物和硫化物光纖相比傳統的二氧化硅光纖在原料高質(zhì)量提純、大尺寸制備、光纖拉制等方面的差距還較大,這是制約中紅外發(fā)光稀土摻雜硫系玻璃光纖走向實(shí)用化的最大障礙;
      (3) 提高稀土離子濃度。鑒于高純硫系、氟系玻璃及其光纖的制備仍是一項困難的工作, 因此作為中紅外光纖激光器材料使用時(shí),希望盡可能地增加稀土離子濃度,以提高光纖單位長(cháng)度增益,提高輸出功率。
      隨著(zhù)研究和技術(shù)的不斷發(fā)展,中紅外激光器將會(huì )進(jìn)一步朝著(zhù)更寬波長(cháng)范圍和更高能量的方向發(fā)展,也將不斷拓展出更為廣闊的應用空間。


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