紫外和可见光的光纤激光技术

紫外激光由于具有小的衍射效应在微纳和高精度加工领域具有重要的应用，而可见光波段激光（简称可见光激光）在高分辨和高保真度显示方面具有广泛的需求。目前主要是通过稀土离子掺杂转换，或者非线性光学频率转换技术实现紫外和可见光波段激光输出，如利用激光倍频或和频，可将红外激光转变为可见光激光，或将可见光激光转变为波长更短的紫外激光。现有商用倍频激光器大多是采用倍频晶体实现短波长激光输出，存在泵浦效率低、散热效果差和不利于集成化等缺点。而传统玻璃光纤非线性效应较低，难以实现有效的波长转换。而且，通过倍频与和频能够获得的激光波长受泵浦波长限制。通过上述转换实现可见光激光输出的激光器，往往在室温下运转效率非常低。所以，紫外和可见光波段增益介质一直是激光领域研究的难点。

一些晶体和半导体材料在紫外甚至深紫外波段具有很高的透过率。若将这些晶体与玻璃复合拉制成光纤，有可能制备出覆盖紫外和可见光波段的新型光纤器件。从倍频激光产生的形式来看，晶体－玻璃复合光纤倍频激光器可以分为两种：一种是晶体－玻璃复合光纤既作为增益介质又作为饱和吸收体，实现自倍频激光输出；另一种是将具有倍频效应的晶体－玻璃复合光纤与玻璃光纤实现熔接，利用晶体－玻璃复合光纤的倍频效应，将原激光信号频率增加一倍，实现倍频激光输出。无论是哪一种形式，都对于实现倍频激光器全光纤化、推动激光技术发展有重要的意义。

2007年，台湾中山大学Lee等基于LiNbO3单晶光纤的倍频与和频效应，用不同波长的激光泵浦，实现471.3515 nm可调谐蓝－绿光输出，当输入功率为100 mW时，输出功率为12.25 mW［65］。由于纯LiNbO3晶体抗辐照能力比较差，通常采用内扩散方法将包层MgO掺杂到LiNbO3晶体中以提高抗辐照性能。清华大学电子工程系霍玉晶等采用Nd：MgO：LiNbO3单晶复合光纤制成自倍频激光器，用1064 nm的Nd3+：YAG激光泵浦，在室温下得到较强的532 nm绿光输出［66］。西安交通大学电子材料研究室姚熹等采用具有阶跃折射率分布的芯包结构Nd：MgO：LiNbO3晶体复合光纤，研制成LD泵浦的室温腔外倍频激光器，在19 mW的1064 nm泵浦光下，得到10μW连续绿光输出［67］。

2010年，台湾大学Lin等制备了Ce、Sm共掺YAG双包层晶体－玻璃复合光纤，外包层为石英玻璃［68］。他们将制备的光纤与多模光纤进行熔接耦合，用446 nm激光泵浦得到4.8 mW输出功率，耦合效率为36.8%，其发射光谱（475650 nm）几乎覆盖了整个可见光波段。2015年，台湾中兴大学Liu等［69］制备了纤芯为Ce：Mg2SiO4的晶体－玻璃复合光纤，实现了650750 nm的红光，功率密度达到79.1 nW/nm。(www.xing528.com)

除了无机晶体，一些特殊的有机晶体在激光倍频领域也受到了广泛的关注。例如3－乙酰氨基－4－（N，N－二甲氨基）－硝基苯（4－（N，N－dimethylamino）－3－acetamidonitroberzene，DAN）晶体，这种有机晶体在可见光、近红外波段具有较好的透光性，以及较高的倍频效应和激光损伤阈值。1992年，日本的Shinsuke研究组制备了具有玻璃包层的DAN晶体－玻璃复合单模光纤，用12 W的1064 nm Nd：YAG激光泵浦，得到1.6W、532 nm的绿光输出［70］。1997年土耳其埃尔吉耶斯大学的Yildiz和Özsoy研究了不同掺杂石英玻璃包层和同种包层下不同泵浦功率对DAN晶体光纤倍频效率的影响，在芯径为0.52μm、长度为2 cm、输入光功率为3 mW的DAN晶体－玻璃复合光纤中，二次谐波功率效率达到100%［71］。另外，也有研究者采用界面凝胶聚合技术制备折射率渐变塑料光纤，并将不同发光波段的有机激光染料掺杂到纤芯中，制备了多种可见光波段复合光纤。例如，将罗丹明B、罗丹明6G等有机激光染料掺杂到渐变折射率光纤中，利用532 nm调Q激光器泵浦，实现了斜率效率43%、输出能量640μJ的光纤激光［72］。

近年来，许多研究小组为了把光纤激光扩展至紫外波段做了许多工作。例如采用可见光波段泵浦光源或者双泵浦光源泵浦高非线性光子晶体光纤（PCF）［73－75］。2013年，Yuan等［76］通过在PCF中产生三次谐波，利用PCF中相位匹配效应产生288500 nm激光。然而，受限于晶体复合光纤的制备技术，至今鲜见在晶体－玻璃复合光纤中直接实现紫外波段激光输出的报道。