中红外光纤激光技术优化：原理和应用探究

中红外波段（简称中红外）激光在大气传输中衰减小，同时覆盖了许多原子、气体分子和水分子的吸收峰，因此其在激光光谱学、大气环境监测、激光手术、光电对抗、激光远程探测等领域有着重要的应用。与固体激光［44］、量子级联激光［45］、光学参量放大［46］等相比，中红外激光具有稳定的工作状态、较好的光束质量、较高的转换效率和低成本等优势，能更好地满足机载、空间等复杂环境下对激光器体积、重量和功耗等方面的苛刻要求。中红外激光近年来得到广泛的研究和迅速发展。

目前中红外玻璃光纤激光器发展主要的问题是如何克服稀土离子的多声子淬灭及杂质吸收损耗，提高激光功率和效率。传统石英光纤在波长超过2.2μm时传输损耗非常大，且其声子能量高达1100 cm－1，在中红外波段，尤其是大于3μm激光器应用方面具有一定的局限性。因此，目前中红外光纤大多选择声子能量较低的锗酸盐（900 cm－1）、碲酸盐（750 cm－1）、氟化物（约550 cm－1）和硫系玻璃（约200450 cm－1）等，并通过晶化处理和光纤结构设计提高激光输出质量。

2μm波段中红外激光输出多为掺Tm3+和Ho3+的光纤。2014年，上海光机所胡丽丽研究组［47］报道了单模双包层玻璃－玻璃复合光纤实现了功率5 mW、M2因子小于1.1的2μm激光输出；其纤芯为Tm3+掺杂的碲酸盐玻璃，内包层为未掺杂的碲酸盐玻璃，外包层为磷酸盐玻璃。华南理工大学邱建荣等采用Tm3+掺杂的YAG陶瓷作为纤芯前驱体，拉制出全玻璃复合光纤［48］，并实现了60 mW的1.95μm激光输出，激光阈值215 mW，斜率效率12.8%，激光线宽0.04 nm［49］。Baker等制备了Lu2 O3：Ho3+和LaF3：Ho3+纳米晶－玻璃复合光纤，在1.95μm激光的泵浦下，分别获得了斜率效率为85.2%和82.3%的2060 nm激光输出，输出功率约7 W［50］。美国空军研究实验室Kim等制备了具有玻璃包层的多晶态Ho3+：YAG晶体－玻璃复合光纤，在1908 nm的激光泵浦下，得到2091 nm激光输出，激光的阈值低于500 mW，斜率效率为7%［51］。借鉴近红外波段高功率光纤激光技术，2010年，Ehrenreich等利用掺铥光纤实现了2.0μm波段千瓦级连续单模激光输出，斜率效率为53.2%［52］。2013年，Hemming等利用八边形内包层的掺钬光纤实现了2.12μm的407 W单模激光输出［53］。(www.xing528.com)

3μm以上中红外玻璃光纤激光一般在声子能量更低的基质中实现。其中，基于硫系玻璃光纤的中红外宽带超连续谱（super continuum，SC）覆盖范围已经超过13μm［54－56］，然而，硫系玻璃的损伤阈值较低，难以研制出高功率SC激光光源。由于硫化物光纤中稀土掺杂浓度较低（＜0.1%），且背景损耗较大，激光转换效率很低，所以目前尚未见到基于稀土离子掺杂硫系玻璃光纤中红外激光输出的报道。较多的研究集中于以ZBLAN（ZrF4－BaF2－LaF3－AlF3－NaF）为代表的氟化物玻璃光纤来实现3μm波段激光输出。1989年，法国国家通信中心的Allain等首次采用Er：ZBLAN光纤实现3μm波段激光连续输出，但功率仅250μW［57］。之后，稀土掺杂ZBLAN光纤激光的研究相继开展。实验证明，掺Ho3+、Er3+和Dy3+的ZBLAN光纤均可以实现近3μm的激光，但Ho3+掺杂的ZBLAN光纤需要采用波长为532 nm、640 nm或者是1100 nm的泵浦光源，Dy3+掺杂的ZBLAN光纤需要采用波长为1300 nm或者是2830 nm的泵浦光源［58，59］，而Er3+掺杂的ZBLAN（Er：ZBLAN）则可以采用商业化976 nm半导体激光器直接泵浦实现近3μm中红外激光输出，因此被认为更有实用价值。1992年，Többen［60］首次报道了室温下利用655nm泵浦Er3+：ZBLAN光纤，获得了波长35μm的连续激光输出，但由于存在空间耦合散热不良而造成光纤端面损伤等问题，限制了输出功率，斜率效率仅2.8%。针对这一问题，研究人员提出了基于Er：ZBLAN的新型复合光纤，在改善泵浦吸收，提高输出功率方面取得了重要突破。2007年，美国新墨西哥大学Zhu等使用高掺杂Er3+双包层ZBLAN光纤，实现了9W、3μm波长的激光输出［61］。2009年，Tokita等采用D形双包层掺Er3+氟化物光纤，输出功率达到24 W［62］。加拿大拉瓦尔大学的研究人员采用800 nm的飞秒激光直接在ZBLAN光纤上刻蚀光栅结构，以减少腔内熔接损耗，并采用双端泵浦和主动水冷的方式，减轻光纤端面的热量负载，在全光纤结构中将输出功率提升至41.6 W［63，64］，这是迄今为止Er：ZBLAN光纤在3μm波段获得的最高功率。然而，以上报道的这些光纤激光器都需要在水冷条件下运转。