摻鐿光纖激光器980nm波段很吸引人

  Iccsz訊 光纖激光器由于其光束質(zhì)量好、效率高、體積小、無水冷、可實(shí)現(xiàn)全纖化結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，以及其在光通信、光傳感、激光加工、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使其近幾年來發(fā)展十分迅速。與其他摻雜光纖激光器相比，摻鐿光纖激光器不存在激發(fā)態(tài)吸收、濃度淬滅效應(yīng)、多聲子躍遷等激發(fā)過程，是目前國際上激光技術(shù)研究熱點(diǎn)之一。在摻鐿光纖激光器中，980 nm波段很吸引人。

  首先，980 nm激光器是摻鉺、摻鐿光纖激光器和放大器的重要抽運(yùn)源;

  其次，980 nm波段激光通過晶體倍頻可以獲得480~490 nm藍(lán)綠光輸出，是現(xiàn)有的半導(dǎo)體藍(lán)光激光器、氬離子激光器很好的替代品，是藍(lán)綠光源發(fā)展的新趨勢。

  本文從三種工作模式(連續(xù)光纖振蕩器、脈沖光纖振蕩器、光纖放大器)出發(fā)，對國內(nèi)外980 nm波段光纖激光器相關(guān)研究成果進(jìn)行綜述，簡單介紹其實(shí)驗(yàn)進(jìn)展，并對980 nm 光纖激光器的發(fā)展進(jìn)行了展望。

  980 nm摻鐿光纖激光器需解決的關(guān)鍵性問題

圖1 石英基質(zhì)中Yb3+能級結(jié)構(gòu)以及其吸收發(fā)射截面圖

  由鐿離子的能級結(jié)構(gòu)分布及其發(fā)射譜的兩個發(fā)射峰可知，其激發(fā)可產(chǎn)生980 nm波段的三能級系統(tǒng)和波長范圍1010-1080 nm的四能級系統(tǒng)，如圖1所示。

  若要使摻鐿光纖激光器運(yùn)轉(zhuǎn)在三能級系統(tǒng)，則需激勵大約50%鐿離子到上能級實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn);而運(yùn)轉(zhuǎn)在四能級系統(tǒng)時，只需要抽運(yùn)5%鐿離子到上能級，就可以實(shí)現(xiàn)激光輸出，可以看出其抽運(yùn)閾值要遠(yuǎn)小于980 nm波段抽運(yùn)閾值。其次，由于摻鐿光纖中的鐿離子在980 nm波段不僅有很高的發(fā)射峰而且有高的吸收峰，所以由三能級產(chǎn)生的980 nm激光可作為四能級系統(tǒng)的抽運(yùn)光源而被吸收。為了解決這兩大問題，除了使用高功率、高亮度的抽運(yùn)光源外，還需要選擇合適參數(shù)的增益光纖，來獲得更高功率980 nm光纖激光器。

  980 nm摻鐿光纖激光器研究進(jìn)展概況

  從20世紀(jì)90年代開始，國內(nèi)外就有科研組對980 nm摻鐿光纖激光器進(jìn)行了深入研究，到現(xiàn)在為止已經(jīng)有了一定的進(jìn)展和突破。980 nm光纖激光器按照工作模式可分為以下幾類：980 nm連續(xù)光纖振蕩器、980 nm脈沖光纖振蕩器、980 nm光纖放大器。

  980 nm連續(xù)光纖振蕩器

  對于980 nm摻鐿光纖激光器的報道，常見的是以連續(xù)方式工作的980 nm光纖激光器。2000年，康寧公司L.A.Zenteno等人采用了1.1 W的946 nm Nd:YAG固體激光器抽運(yùn)CS980單模光纖，獲得最大輸出功率655 mW，979.8 nm單模激光輸出。雖然單模光纖輸出光束近衍射極限，其纖芯直徑特別小，一般的抽運(yùn)光很難注入到纖芯中，導(dǎo)致抽運(yùn)光吸收效率極低，所以初期的980 nm光纖激光器輸出功率還只是毫瓦量級。

  后來出現(xiàn)雙包層光纖，抽運(yùn)光源也發(fā)展使用半導(dǎo)體激光器(LD)，大大提高了激光器的輸出功率。為了保證光纖激光器中更多的抽運(yùn)光可以被增益光纖所吸收，一些單位也開始研制并使用超大芯徑的光子晶體光纖(PCF)作為增益介質(zhì)，在提高數(shù)值孔徑和大模場面積的同時，又保證了單模輸出，能夠承受更高功率的抽運(yùn)光源，更加適合高功率光纖激光器的發(fā)展。

  2008年，德國耶拿大學(xué)利用高功率915 nm LD抽運(yùn)1.2 m大模場棒狀摻鐿PCF，獲得輸出功率94 W的980 nm連續(xù)激光，如圖2所示。這是迄今為止獲得980 nm摻鐿光纖振蕩器的最高輸出功率。

圖2 980 nm激光器實(shí)驗(yàn)裝置圖

  國內(nèi)對980 nm連續(xù)光纖激光器的研究比較晚，主要研究機(jī)構(gòu)有北京工業(yè)大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位。

  2011年，北京工業(yè)大學(xué)本課題組采用30 W的915 nm LD抽運(yùn)內(nèi)包層直徑分別為170 μm和200 μm摻鐿PCF，獲得輸出功率分別為1.24 W和1.1 W的980 nm連續(xù)激光。

  2013年，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)采用24.5 W的915 nm LD抽運(yùn)雙包層摻鐿光纖，最終獲得1.73 W的977.4 nm激光輸出,如圖3所示。高功率抽運(yùn)激光器以及大芯包比的增益光纖更加有利于獲得980 nm激光輸出。

圖3 980 nm全光纖激光器實(shí)驗(yàn)圖

  2015年，中國工程物理研究院利用雙包層摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，獲得最大輸出功率16.7 W的981.7 nm激光。

  通過上述工作我們發(fā)現(xiàn)在摻鐿光纖中，可以通過選擇合適長度、合適芯包比的增益光纖來實(shí)現(xiàn)有效的抑制四能級起振，保證三能級正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而且隨著光纖耦合輸出的抽運(yùn)激光器、光纖光柵、帶通濾波器等實(shí)驗(yàn)器件的出現(xiàn)，使980 nm連續(xù)光纖激光器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了全纖化結(jié)構(gòu)，但是國內(nèi)在連續(xù)980 nm光纖振蕩器方面輸出功率還是比較低，更好地提高激光輸出功率是在以后發(fā)展中需要關(guān)注的問題。

  980 nm脈沖光纖振蕩器

  與連續(xù)光纖激光器相比較，脈沖光纖激光器能將振蕩腔內(nèi)存儲的能量在很短的時間內(nèi)釋放出來，在生物成像、高速光纖通信、微機(jī)械加工等領(lǐng)域更能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。其中調(diào)Q和鎖模是得到980 nm脈沖激光 兩種最常用的技術(shù)。

  調(diào)Q技術(shù)也叫作Q開關(guān)技術(shù)，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術(shù)，通?？梢詫⒚}沖寬度壓縮至納秒量級，峰值功率可達(dá)到106 W以上。鎖模作為一種新的壓縮脈寬的途徑，又被稱為超短脈沖技術(shù)，通常可以將激光輸出脈沖的寬度壓縮至皮秒甚至飛秒量級，峰值功率可達(dá)到1012 W 以上。

  按照工作原理，鎖模分為主動鎖模、被動鎖模等多種形式。近年來，采用被動鎖模技術(shù)研發(fā)的光纖激光器因?yàn)閮r格低廉、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，性能也可以和固體激光器相媲美，在皮秒級和飛秒級光源上都得到了廣泛的應(yīng)用。

  自1986年Alcock等首次將調(diào)Q技術(shù)應(yīng)用到光纖激光器以來，調(diào)Q光纖激光器就引起了廣泛關(guān)注。國內(nèi)外對980 nm調(diào)Q光纖激光器的報道比較少，而國內(nèi)對此方向的研究則出現(xiàn)較晚。

  2013年，中科院上海光機(jī)所使用60 W的915 nm LD抽運(yùn)非保偏大模場摻鐿雙包層棒狀PCF，通過控制Q開關(guān)，獲得穩(wěn)定978 nm脈沖序列，其中脈寬9 ns，單脈沖能量120 μJ，峰值功率130 kW，如圖4所示。該實(shí)驗(yàn)裝置中采用后向抽運(yùn)方式，改變增益光纖反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，提高978 nm增益，達(dá)到抑制四能級寄生振蕩的目的。

圖4 978 nm短脈沖調(diào)Q光纖振蕩器實(shí)驗(yàn)裝置圖

  光纖激光器中形成鎖模的方式很多，可以通過在諧振腔內(nèi)插入半導(dǎo)體可飽和吸收體，或者利用光纖本身的特性來實(shí)現(xiàn)鎖模輸出。

  2011年，法國波爾多大學(xué)科研組J Lhermite等人報道了500 nJ的全正色散976 nm光纖振蕩器，實(shí)驗(yàn)中利用半導(dǎo)體可飽和吸收鏡(SESAM)實(shí)現(xiàn)鎖模輸出，如圖5所示，最大平均輸出功率為4.2 W，脈沖寬度24 ps。

圖5 976 nm鎖模光纖激光器示意圖

  上述報道的980 nm波段鎖模光纖激光器，系統(tǒng)是空間結(jié)構(gòu)，耦合效率低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不好，會對激光器輸出指標(biāo)有限制。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，器件間的連接方式最好是通過光纖熔接來實(shí)現(xiàn)的。相較之下，全光纖鎖模振蕩器會解決這些問題，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，更加適合實(shí)際的應(yīng)用需求。

  2014年，北京工業(yè)大學(xué)本課題組報道了一臺980 nm全光纖NPR鎖模摻鐿光纖振蕩器，如圖6所示，最終獲得平均輸出功率26.1 mW，脈沖寬度159.48 ps，單脈沖能量1.28 nJ。

圖6 980 nm全光纖鎖模激光器

  980 nm光纖放大器

  在激光應(yīng)用的某些領(lǐng)域中，需要高功率、高能量的激光，只靠振蕩器來實(shí)現(xiàn)是有一定困難的。盡管通過脈沖激光器可獲得高峰值功率，也未必可以滿足實(shí)際應(yīng)用需求。一種簡單的方法就是采用光纖放大器來實(shí)現(xiàn)高脈沖能量、高功率激光輸出。

  在連續(xù)光纖放大器中，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)分別使用不同種類的增益光纖，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也從初期的空間耦合結(jié)構(gòu)發(fā)展到后來的全光纖結(jié)構(gòu)，雖然平均輸出功率現(xiàn)在還達(dá)不到高功率，但是隨著種子光源和抽運(yùn)光源功率的提高，以及其他光纖器件的發(fā)展，以后會獲得更高功率連續(xù)980 nm光纖放大器。

  2004年，英國南安普頓大學(xué)DBS Soh等人首次報道980nm摻鐿光纖放大器，應(yīng)用主振蕩放大(MOPA)技術(shù)后獲得4.3 W 977 nm連續(xù)激光，線寬0.2 nm。國內(nèi)對980 nm光纖放大器也有一定的研究。2014年，國防科技大學(xué)首次報道980 nm全光纖摻鐿雙包層光纖放大器，最大輸出功率為6.22 W。

  在980 nm脈沖光纖放大器方面，2011年，法國波爾多大學(xué)Guillaume Machinet等人，以一個脈寬2 ps，單脈沖能量10 nJ的全正色散976 nm被動鎖模光纖振蕩器作為種子源，經(jīng)放大后獲得激光脈沖的平均輸出功率為40 W，峰值功率640 kW，單脈沖能量1 μJ，脈沖寬度1.56 ps。

  國內(nèi)對980 nm脈沖光纖放大器研究相對較少。2016年，本課題組報道了980 nm全光纖SESAM鎖模放大器，采用兩級MOPA放大機(jī)制后，獲得最大輸出功率為740 mW，重頻200 ps，線寬0.29 nm。

  總結(jié)：

      980 nm光纖激光器要走向?qū)嵱没?，還面臨著光纖制備工藝提高、抽運(yùn)功率提升、實(shí)現(xiàn)全纖化結(jié)構(gòu)等方面的挑戰(zhàn)。對于980 nm脈沖光纖激光器，新興的二維新材料(拓?fù)浣^緣體、石墨烯、二硫化鉬等)已經(jīng)在其他波段實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定鎖模，希望以后也能在980 nm波段獲得更好的成果。

      （原標(biāo)題：在摻鐿光纖激光器中，980 nm波段是很吸引人的   作者：北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院 李平雪、張月）

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