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2020-03

全面解读:中红外光纤激光器技术进展!

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        本文作者楚秋慧,来自《电信技术研究》,仅供交流学习之用,感谢分享!

1、引言

      中红外波段(波长为2.5~10μm)激光在国防、医疗、通信等方面有着重要的应用。在医疗领域,由于中红外波段位于水分子的吸收峰,在医学领域有广阔应用空间。水分子在2μm和2.8μm附近有强中红外吸收峰,因此利用工作波长在该波段的激光器可以用在医学上的激光微治疗和组织切除手术,当中红外波段的激光作用在皮肤上时,其能量迅速被肌肉组织吸收,导致肌肉组织的迅速气化分离和精密剥脱,具有作用深度浅且伤口愈合快的优势。

 

      在激光加工领域,2.0μm波段激光在塑料材料激光切割、焊接等应用领域有重要地位,塑料材料对从紫外到近红外的激光基本是透明的,传统的1μm波段激光不利用加工塑料材料,而大部分常见聚合物在波长包含2.0μm的中红外波段有强烈的吸收带,因此可以利用2.0μm波段的中红外激光进行聚合物加工(如切割与焊接)等。

 

      另外,中红外波段包含3~5μm及8?12μm的大气窗口及分子“指纹”区,具有广泛的应用前景“指纹"区对应多数分子的特征吸收谱,因此可以利用中红外激光来进行认 证有机化合物、毒气监测、疾病诊断等。图1为从可见光到中红外波段的大气透过率曲线,中红外波段处于大气透明窗口,此波段对大雾、烟尘等具有较高的透过能力,在空气中传输时受分子散射小,因此中红外脉冲激光可使用于激光测距、远程遥感、无线通讯等方面应用。

 

     在军事领域,红外制导预警机和导弹的威胁日趋严重,许多国家的军事机构都在积极研究中红外激光的定向干扰技术。军用侦査卫星、导航卫星和通讯卫星等已经成为战场作战行动的重要支援保障系统,而大部分卫星的电光传感器的响应范围为2.5?3.3μm波段,而中红外超短脉冲激光可以在瞬间提供很高的峰值功率则足以干扰和损伤这些探测器件。

 

      中红外波段激光器的广阔应用前景,在近年来引起研究者的广泛关注。目前与整个激光器市场相比,中红外激光器市场相对较小,但其增长速度比整个激光器市场快近四倍,这使得中红外激光器市场成为最有活力的市场之一。中红外波段激光器的产生方法有很多,如半导体量子级联激光器、光学倍频激光器、过渡金属元素掺杂II-VI族化合物激光器、光纤激光器等,其中由于光纤激光器具有效率高、散热效果好、光束质量好、运行稳定、体积紧凑 等优点,而在光通信、机械制造、医疗和国防等应用中表现出独特的优势。目前,基于光纤 结构实现中红外波段激光输岀的方式主要有稀 土掺杂光纤激光器,利用超短脉冲激光泵浦中 红外光纤获得超连续谱激光输出和通过拉曼散 射方式获得中红外波段激光输出,本文介绍将这几种激光器的产生原理、研究进展与应用。

 

2、中红外光纤激光器
2.1 稀土掺杂中红外光纤激光器

       稀土掺杂中红外光纤激光器就是在光纤激光器的基础上,通过改变光纤材料和掺杂离子种类等手段来控制能产生谐振的波长,使激光器输出中红外波段激光。

 

       目前,产生可见光和近红外波段光纤激光器的光纤主要是石英光纤,但是由于石英光纤在中红外波段共振吸收系数大,使中红外光纤激光器无法用石英玻璃光纤产生,因此需要釆用在中红外波段具有低的声子损耗的新基质光纤。目前,用于产生中红外光纤激光器的光纤主要有重金属氧化物光纤(如亚硫酸盐、铐酸盐等)、卤化物光纤(如氟 化物(ZBLAN)、氯化物等)和硫化物光纤(如 As2S3, As2Se3),此类光纤在中红外波段具有 较低的声子能量,对稀土离子有较好的溶解性,且折射率较高。而多种稀土离子Tm3+,Ho3+, Er3+,Dy3+能够在中红外波段发光,其能级跃迁示意图如图2所示常用于制作中红外光纤激光器。

      Tm3+掺杂的绪酸盐、亚磷酸盐、ZBLAN(ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF)光纤常用于产生2μm波段光纤激光,它是由Tm3+的能级跃迁3F4->3H6产生的。2000年,Tm3+掺杂的光纤激光器的输出功率仅为14W。2010年,美国的Nufern公司采用MOPA结构,使用两个放大级对Tm3+掺杂的光纤进行放大,得到输出功率为>1kW,是目前该波段的最高输出功率。

 

     Er3+、Ho3+和Dy3+掺杂的ZBLAN光纤激光器能够产生2.7-3μm范围的激光输出,其中Er3+离子能够被976nm半导体激光器直接泵浦,所以Er3+的4I11/2-4I13/2跃迁是目前该波段激光产生的主要方式。2007年,Zhu和Jain使用高掺杂Er3+的ZBLAN光纤产生了10W量级的激光器。2009年,Tokita使用类似的技术和主动冷却,在3μm波段产生了24W激光输出,是目前该波段Er3+掺杂光纤激光器输出的最高功率冏。Ho3+和Dy3+掺杂ZBLAN光纤激 光器能够产生更长波长的激光输出,因此得到了很大关注。Jackson通过使用Yb3+掺杂的光纤激光器作为泵浦源泵浦Ho3+、Pr3+共同掺杂的ZBLAN光纤产生了瓦量级的激光器。Dy3+掺杂ZBLAN光纤激光器能够产生2.9μm的激 光,但是由于它的下能级为原子基态,阈值高, 输出功率仅为0.3W。

 

      与1μm和1.5μm光纤激光器相比,2μm和3μm波段的光纤激光器输岀功率如图3所示,由图可知3μm波段激光输岀功率相对较低,通过采用更为有效的泵浦源,有效抑制光学损耗和热效应,可将3μm波段光纤激光器输出功率进一步提高。

     3~4μm波段的稀土离子掺杂光纤主要釆用ZBLAN光纤实现,例如:掺Ho3+可以实现3.22μm和3.95μm激光输岀,掺Er3+可以实现3.45μm输出。但是目前为止3.45-3.95μm的激光输出必须在冷却条件下实现。因此,如何在室温条件下实现高功率3?5μm的中红外激光输出,是未来一个非常重要的研究方向。



    由于硫化物光纤低损耗传输波段更宽(?1-20μm),因此使用稀土离子掺杂硫化物光纤可以实现更长波长的激光输出。但是制备硫化物光纤的纯度和毒性控制成为制约硫化物光纤发展的瓶颈。因此,克服这些困难并且选择合适的掺杂浓度,将会实现硫化物光纤激光器低损耗、 高功率激光输出。表1给出了波长大于稀土离子掺杂光纤激光器近年来的典型实验数据。在实验上,主要是釆用Ho3+和Er3+掺杂ZBLAN光纤,输出波长大于3μm,但目前输出功率还在10mW量级,而对于铐酸盐、硒化物光纤,主要还处于理论模拟阶段。

 

2.2 拉曼中红外光纤激光器
       稀土掺杂光纤激光器的输出波长,因稀土离子能级跃迁的限制,只能覆盖有限的光谱范围,限制了其应用领域。而理论上基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器只要有合适的泵浦源和谐振腔,就可以产生任意波长的Stokes光,因此拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段。近年来,中红外拉曼光纤激光器也得到了快速发展。

         一级和二级拉曼光纤激光器的基本结构分布如图4(a)、(b)所示,对于一级中红外拉曼激光器,泵浦源常使用2?3μm波段光纤激光器,图中增益介质为亚确酸盐光纤,在光纤两端写入具有适当反射率的Bragg光栅,其中HR@λp对泵浦光高反,保证光纤对泵浦光的充分吸收,HR@λ1和PP@λ1组成谐振腔对产生的拉曼激光进行反馈,中心波长对应于Stokes光的波长,当泵浦光功率超过拉曼阈值功率时,形成激光振荡产生相应的激光。对于二级拉曼光纤激光器,HR@λ1和PP@λ1组成谐振腔对产生的一级拉曼激光进行反馈,当一级拉曼激光功率超过一定阈值时,一级拉曼激光会作为泵浦源激发产生二级拉曼激光,HR@λ2和PP@λ2组成二级拉曼激光的谐振腔。使用氟化物、亚備酸盐、硫化物光纤能够产生中红外激光。


 

       2006年,悉尼大学光纤技术中心以2051nm的掺铉石英光纤激光器为泵浦源,使用As2S3光纤为增益介质,获得了2062nm功率为0.64W的拉曼激光器。2012年,拉瓦尔大学的M.Bernier等人使用单模As2S3硫化物光纤在3.005μm泵浦源的泵浦下实现了输出波长为3.34μm的拉曼光纤激光器,这是首次在As2S3光纤中实现输出波长>3μm的拉曼激光输出,为更长波长中红外光纤拉曼激光器发展奠定了基础(结构图如图5所示)。它采用波长为3.005μm的准连续掺钳氟化物光纤激光器为泵浦源,以3 m长的单模As2S3硫化物光纤为增益介质,得到输出波长为3.34μm, 斜率效率39%,最大峰值功率为0.6W,最大平均输出功率为47mW的激光输出。2015年,拉瓦尔大学再次实现3.77μm的拉曼光纤激光输出,功率为9mW。釆用二氧化硅光纤可得到的波长有限,2015年报道了采用二氧化硅光纤实现了2.48μm波长、0.15W功率输出拉曼激光器,是目前采用二氧化硅光纤实现的最长波长输出。

 

相对于硫化物光纤,亚磷酸盐光纤热稳定性好,具有更宽的拉曼增益线宽(?300^-1)和更大的拉曼频移(?750cm^-1),利用这些优点可以制作性能更好的拉曼光纤激光器。2013年, Gongwen Zhu等人使用亚礦酸盐光纤对3~5 μm波段拉曼光纤激光器进行了数值模拟,输出功率可达到10W量级,因此亚磷酸盐光纤将在拉曼光纤激光器产生更长波长、更高功率输出上有进一步发展。

 

2.3 中红外超连续谱光纤激光器

      超连续谱是指窄脉冲在非线性光学介质中经过非线性效应和色散的共同作用,使脉冲频谱得到极大展宽的光谱。中红外超连续谱由于覆盖了很多生物分子的指纹区,因此中红外高功率超连续谱在生物医学、中红外传感、污染物监测、物体识别等领域有重要应用前景。

 

      中红外超连续谱主要釆用氟化物、磷酸盐和硫系玻璃光纤,它们非线性系数大,中红外透射性能好,适合产生中红外超连续谱,而且硫系玻璃光纤的透射范围可达到远红外波段, 理论上能够产生中红外到远红外的超连续谱。

 

      近年来,美国、日本、法国等国家用ZBLAN光纤为非线性介质产生中红外超连续谱。2009年,美国密西根大学实现了输出光谱范围为 0.8-4μm 、平均输出功率为10.5W的中红外超连续谱,这是目前利用ZBLAN氟化物光纤获得的1?4μm超连续激光的最高输出功率。在国内,2012年6月,国防科技大学光电科学与工程学院利用ZBLAN单模光纤作为非线性介质,在国内首次实现了 1.9?4.3μm全光纤中红外超连续谱光纤,光谱稳定性好,输出功率为185mW,目前   他们实现了输出功率为7.1W的中红外超连续谱。由于ZBLAN的透射波长范围为0.5-4.5μm ,因此利用ZBLAN光纤基本无法实现更高波长的超连续谱。

 

      由于硫化玻璃光纤是目前光纤材料中在中红外波段透明窗口最大的光纤,因此可用于产 生覆盖更大波长范围的超连续谱。常使用微结 构硫化物光纤和拉锥光纤产生超连续谱,以非线性薛定愕方程为理论模型,釆用分步傅里叶计算方法,对中红外超连续谱的产生机制进行模拟,表明脉冲传输初始阶段,频谱展宽是由自相位调制引起,随后有交叉相位调制,拉曼效应作用使频谱进一步展宽。另外,脉冲分裂产生的色散波也是频谱展宽的重要因素。2014年,丹麦科学家Christian等利用硫化玻璃 光纤已经能够产生1.4?13.3μm范围的超连续谱。2015 年,澳大利亚的Barry Luther-Dacies 等也产生了覆盖范围从<2μm到>11μm的超连续谱,平均输出功率约20mW,是目前该波段超连续谱的典型输出功率值。2013年, Chen Wei等人釆用3μm波段泵浦源进行模拟,得到硫系光子晶体光纤产生的超连续谱输出功率可得到很大提高,因此基于硫化玻璃光纤的超连续谱输出功率有待进一步提升。

 

2.4 几种中红外光纤激光器方案对比

  目前,2μm波段掺铉光纤激光器输出功率己到达千瓦量级,技术相对比较成熟,是实现中红外高功率光纤激光器的首要选择,而3μm波段ZBLAN光纤激光器也得到了很大进展,更长波长的硫化物光纤激光器也是未来中红外光纤激光器的重要发展方向。稀土掺杂的光纤激光器对于实现高功率中红外光纤激光器有较大潜力。而中红外拉曼激光器和中红外超连续激光器通常需要以稀土掺杂的激光器为激光源泵浦中红外光纤介质,因此中红外稀土掺杂光纤激光器的发展是进一步发展中红外拉曼激光器和超连续谱的基础。在进行中红外光纤激光器研究时,可先发展稀土掺杂的中红外光纤激光器,在此基础上进一步拓展中红外光纤激光 器的研究范围。

 

3、国内外研究机构及进展

      近年来,国内外有很多研究机构对中红外光纤激光器进行研究,取得了很大进展。在2μm波段,IPG公司、Nufern公司、Q-peak公司、诺格公司、美国亚利桑那大学等在对高功率连续掺钥和掺秋光纤激光器做了大量研究并处于领先地位。Q-peak公司目前已实现大于1kW的掺荏光纤激光功率输出。IPG公司在掺铥光纤激光上实现了单模415W的高功率输出。美国的Northrop Grumman公司实现了单频连续掺袱光纤激光器608W单频、单纵模激光输出,这是目前所有波长下单频单模光纤激光器的最高功率输出,甚至超过了以往报道的1μm波段的最高输出功率。

 

      国内方面,对中红外光纤激光器的研究工作起步较晚且主要围绕掺铥光纤激光器,与国外有较大差距。目前,国内主要的研究单位有清华大学、中国科学院上海光机所、上海交通大学、哈尔滨工业大学光电子研究所、国防科技大学、电子科技大学等。在2μm波段,国内的最高功率是清华大学光子与电子技术研究室在2014年报道的连续掺铥光纤激光器,输出功率为227W,光光效率为51.2%。实验采用七个输出功率为70W、波长为790nm的LD作为泵浦源,采用 TEC制冷保证输出波长的稳定性,使用25/250μm的双包层光纤。国防科技大学于2011年开展了高功率掺铉光纤激光器的理论与实验研究,并成功实现了MOPA结构百万级掺铉光纤激光输出,并于2013年开展掺秋高功率光纤激光器的理论研究。

 

     在3μm波段,主要研究工作是围绕Er3+:ZBLAN 和 Ho3+/Pr3+:ZBLAN 光纤激光器展开。主要研究机构有日本京都大学、加拿大拉瓦尔大学、澳大利亚悉尼大学、美国亚利桑那大学、美国斯坦福大学、上海光机所、哈尔滨工业大学、电子科技大学等。2009年,日本京都大学实现了冷却条件下2.7μm掺铒中红外激光器输出,功率达24W,采用目前日本分子技术研究所研制的中红外Er3+:ZBLAN光纤,理论分析,具有单根波长2.8μm激光输出功率超过百瓦潜力。加拿大拉瓦尔大学于2009 年,利用飞秒激光器在ZBLAN光纤上刻写了光纤光栅,实现高稳定性全光纤掺但激光器输出,2011年将全光纤掺Er3+:ZBLAN激光器的输出功率提高至20.6w。国内电子科技大学的李剑锋课题组对中红外掺Ho3+氟化物光纤激光器做了模拟及实验研究,输出功率达0.77 W ,同时实现了3μm可调谐的调Q光纤激光输出。中国工程物理研究院应用电子学研究所对中红外光纤激光器进行了较为系统的研究,在国内首次获得了功率数瓦级、波长2.79 μm中红外光纤激光输出,目前正在继续开展优化工作,期望获得更高功率的中红外激光输出。

 

     对于硫系光纤拉曼激光器,主要的研究机构有日本NIT公司的光电实验室、美国海军实验室、澳大利亚悉尼大学、加拿大拉瓦尔大学、中国电子科技大学等。澳大利亚悉尼大学光纤技术中心以As2S3光纤为增益介质的拉曼光纤激光束输出波长为2062 nm ,输出功率达0.64W。加拿大拉瓦尔大学的基于氟化物光纤输出波长为2μm波段的光纤拉曼激光器的输出功率达到瓦量级。拉瓦尔大学利用硫化物光纤获得了 2μm波段0.64W的拉曼激光,并获得了波长大于3μm的拉曼激光,最长达到了3.77μm。国内对硫化物光纤拉曼激光器的研究 基本还处于仿真与模拟阶段。

对于中红外超连续谱,国内的研究机构主要有国防科技大学、湖南大学、电子科技大学等,2012年,国防科技大学研制出全光纤结构的中红外超连续光源,平均功率为108mW, 是国内首次实现1.9?4.3μm全光纤中红外超连续谱光源,目前平均功率己达到13W。

 

4、结论
    中红外光纤激光器在医学、通信、军事等领域都有重要应用,近年来得到了快速发展。中红外光纤激光器目前主要有稀土掺杂光纤激光器,拉曼光纤激光器和中红外超连续谱,本文对几类中红外光纤激光器的产生方法和发展状况进行了概述。但是中红外光纤激光器的发展需要进一步研究解决的问题还很多,主要有 以下几个方面: 
(1) 中红外光纤激光器输出功率的受限因 素主要是泵浦源亮度、光纤热损害和非线性效应,要提高中红外光纤激光器的输出功率还需要进一步解决该问题;
(2) 中红外光纤的进一步发展。改进提纯工艺,降低玻璃和光纤光学损耗。中红外光纤主要包括氟化物光纤和硫化物光纤,但是目前氟化物和硫化物光纤相比传统的二氧化硅光纤在原料高质量提纯、大尺寸制备、光纤拉制等方面的差距还较大,这是制约中红外发光稀土掺杂硫系玻璃光纤走向实用化的最大障碍;
(3) 提高稀土离子浓度。鉴于高纯硫系、氟系玻璃及其光纤的制备仍是一项困难的工作, 因此作为中红外光纤激光器材料使用时,希望尽可能地增加稀土离子浓度,以提高光纤单位长度增益,提高输出功率。
随着研究和技术的不断发展,中红外激光器将会进一步朝着更宽波长范围和更高能量的方向发展,也将不断拓展出更为广阔的应用空间。