中红外光纤激光技术及应用
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概述:
2um-5um中红外激光有着自己独特的应用:该波段覆盖了几段大气窗口,使其可用于激光雷达、大气通信、激光测距、超高分辨率天文光谱仪标定和光电探测等[1];中红外波段包含被称为“分子指纹”的特征谱线,可被用于高速、高分辨率、高光谱灵敏度、高信噪比的中红外光谱测量[2];水分子在3um附近有很强的吸收峰,使其可用于很多医疗操作;位于分子共价键的吸收谱段,使其可用于分子含量的检测和分子类型的鉴定,实现分子的成像等。
目前商用的中红外激光光源包括:OPO参量振荡激光器,超连续谱光源,量子级联激光器以及光纤激光器等。
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对于中红外光纤激光器而言,按着实现方式,可以把中红外光纤分为有源和无源两个方面,主要包括基于掺杂稀土的中红外激光,如掺Er3+、Dy3+的ZBLAN光纤激光;基于非线性效应的中红外激光,如拉曼激光、超连续谱激光;基于特殊波导结构的空芯光纤,配合充斥不同气体实现不同波长的中红外激光。近年来随着光纤激光技术的不断发展和成熟,围绕中红外激光技术的研究火热起来,相关实验和产品报道层出不穷,这里只讨论基于增益有源光纤的单波长中红外光纤激光器。
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Er:ZBLAN光纤
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Er作为稀土元素具有丰富的能级结构,粒子通过基态吸收在泵浦波长655nm、790nm和980nm处被激发到较高能级,通过辐射跃迁从4I13/2能级跃迁至4I15/2能级可以产生1.55um的发射,由4I11/2能级向4I13/2能级跃迁产生2.8um的发射,粒子从4F9/2能级向4I9/2能级跃迁能够产生3.5um发射。目前,高浓度掺杂 Er:ZBLAN光纤获得2.8um激光是相对主流方法[4]。
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氟化物光纤被用于2-3um光输出,硫化物光纤被用于3-6.5um光输出,比6.5um更长波长可以用卤化物光纤输出。氟化物光纤主要是以氟化铝(AlF3)、ZBLAN(53%ZrF4-20%BaF2-4%LaF3-3%AlF3-20%NaF) 或氟化铟(InF3)等为基质材料的氟化物多组分玻璃光纤。其中ZBLAN是目前比较常用的光纤,可以实现稀土掺杂,对于其与硅基光纤的熔接工艺也相对比较成熟,商用光纤熔接机即可,InF和AlF光纤可用作光纤器件(比如合束器)和光纤端帽的制作。但是易潮解是氟化物光纤主要的缺点。
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2.8um中红外连续光纤激光
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1988年,Brierley报道了第一台2.7um Er3+掺杂光纤激光器[5] 。
1999年,Er:ZBLAN光纤激光器的输出功率实现了瓦级的突破,Jackson等[6]利用 Er3+/ Pr3+共掺ZBLAN光纤实现了1.7W的激光输出。
进入21世纪,随着光纤制备技术与光纤激光技术的发展,3um波段激光的功率进一步提高。其中日本京都大学、澳大利亚阿德莱德大学、加拿大拉瓦尔大学、国内的深圳大学等在实验室,都报道了非常出色的实验进展。
2015年,加拿大拉瓦尔大学Fortin等[7]报道了输出功率为30.5W、输出波长为2938nm的掺Er3+氟化物光纤激光器。该系统采用了基于纤芯内刻写光纤布拉格光栅,即在ZBLAN光纤和Er:ZBLAN光纤分别刻蚀高反光栅和低反光栅,构成10m长的谐振腔,光纤尾端接有AlF3端帽以降低潮解,提高激光器稳定性,在980nm泵浦下总激光效率为16%。
2018年,加拿大拉瓦尔大学Aydin等[8],在整段Er:ZBLAN光纤内完成光栅刻蚀,利用双泵浦方式连续光纤激光器在2.8um处,实现了41.6W的激光输出。这是Er:ZBLAN中红外光纤激光器已知报道的最高输出功率。
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2021年,深圳大学郭春雨等[10] 在国内首次报道了功率为20W的全光纤结构的2.8um中红外激光输出。所用的掺Er3+:ZrF4光纤直径为15um,数值孔径NA约为0.12,总长度为6.5m,吸收系数2-3dB/m@976nm,高反光栅(99%HR-FBG)和低反光栅(10%OC-FBG)直接刻写在增益光纤上,中心波长2825nm,与Er纤形成谐振腔。如图所示▼ 硅基与ZBLAN光纤,以及端帽与无源纤的熔接工艺为报道者团队自主研发,制作了包层光滤除器和AlF3光纤端帽。当泵浦功率140W,输出功率20.3W@2.8um,光光转换效率14.5%。
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2023年,利用镀膜反射镜和自制高性能中红外光纤端帽提供谐振腔反馈,结合高功率泵浦光的高效耦合技术,将单端泵浦中红外光纤激光器的输出功率提升到33.8W,并获得了>30W功率水平下的最高激光效率[21]。
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经过多年的努力,光纤激光的工作者们,极大优化了中红外光纤的处理工艺,目前利用商用的特种光纤处理设备,可以得到较低的熔接损耗,被用在中红外模场匹配器、合束器/分束器、输出端帽等多种器件,从而推出了产品级的全光纤结构中红外光源。
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中红外调Q脉冲光纤激光
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2020年,Sojka等[11]采用30W的975nm激光泵浦芯径15um,7%摩尔浓度Er:ZBLAN双包层光纤,在重复频率10kHz实现光纤激光器在2.8um波长下的声光调Q输出,在 1.1m长Er:ZBLAN光纤实现脉冲能量46uJ的激光输出,脉冲的峰值功率0. 821 kW,脉宽56ns。2021年,他们采用芯径35um的Er:ZBLAN多模光纤,脉宽26ns,峰值功率12.7kW,脉冲能量330uJ[12]。
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2021年,Shen等利用电光调Q首次实现了2.8um的脉冲激光输出。采用芯径33um掺Er浓度为6%的ZBLAN光纤作为增益介质,NA0.12,电光调制器选择RTP晶体,脉宽13.1ns脉冲能量205.7uJ,峰值功率15.7kW,这是目前已知最高峰值功率 Er:ZBLAN调Q光纤激光器的报道。
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中红外锁模超快光纤激光
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硅基光纤中有掺Tm光纤用于2um激光的输出,技术已经比较成熟,随着光纤和器件技术的成熟,更高的指标逐一实现。
2018年,Jena大学报道了1000W平均功率,256fs的2um超快激光,利用了大模场面积的掺Tm的光子晶体光纤,50/250-Tm-PM-PCF。这也是目前同类实验的最高指标。
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对于2um以上的波段,目前绝大多数的光纤激光器研究工作采用被动锁模技术,主要采用可饱和吸收以及非线性效应两种形式。前者以具有光学可饱和吸收特性的材料作为锁模器件,如SESAM,金属掺杂晶体如 Fe: ZnSe等,后者利用光学非线性效应等方式产生等效可饱和吸收体,如非线性偏振旋转(NPR)、非线性光学环形镜(NOLM)等。
2020年,Guo等[14]报道,利用CVD生长WSe2薄膜作为SA并转移至镀金反射镜形成 WSe2-SAM,基于此利用980nm激光泵浦6%摩尔浓度Er:ZBLAN光纤,实现脉宽21ps,重频42. 43MHz,平均功率360mW的锁模脉冲。
2022年,上海交通大学Qin等[15]利用分子束外延生长技术制备了InAs/GaSb超晶格SESAM,可灵活调整可饱和吸收体的响应范围、饱和能量密度和恢复时间等参数,实现了3.5um的Er: ZBLAN光纤激光器的稳定锁模输出,脉宽14.8ps,平均功率149mW,重复频率36.56MHz。
2019年,上海交通大学Qin等[16]采用Ge棒进行色散管理进一步将锁模脉宽缩短至215fs,脉冲能量9.3nJ,峰值功率43.3kW。
2020年,上海交通大学Gu等[17]报道了基于NPR技术实现2.8μm 的Er∶ZBLAN光纤激光器的131fs锁模输出,峰值功率22.68kW的孤子脉冲,脉冲能量3nJ。
同年,Huang等[18]利用NPR技术在980nm下泵浦3.3m长Er: ZBLAN光纤实现脉宽126fs,脉冲能量10nJ的锁模输出,Er: ZBLAN放大器和ZBLAN非线性光纤进一步压缩脉宽至15.9 fs,最终脉冲峰值功率500kW。
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2022年,Yu等[19]利用2.4m长掺杂7%摩尔浓度的Er:ZBLAN光纤制备脉宽283fs的脉冲种子光源,利用非线性放大技术,进一步将脉宽压缩到59fs,获得的脉冲平均功率高达4.13W,这是迄今为止亚百飞秒锁模光纤激光器最高的平均输出功率。
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总结
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中红外光纤激光器,具有光纤激光紧凑、少维护、稳定性高、光束质量高等诸多优势,氟化物、硫化物、卤化物、空心光纤等中红外光纤,从功率、光谱、光纤器件应用等各个方面大大推动了中红外激光的发展,随着中红外材料及光纤技术的不断成熟,将会有更多高品质的中红外光纤激光产品问世,在国防、科研、工业制造、医疗等领域发挥越来越大的作用。
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