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、可實現(xiàn)全纖化結(jié)構等優(yōu)點，以及其在光通信、光傳感、激光加工、醫(yī)療等領域的廣泛應用，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、多聲子躍遷等激發(fā)過程，是目前國際上激光技術研究熱點之一。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源;

  其次，980 nm波段激光通過晶體倍頻可以獲得480~490 nm藍綠光輸出，是現(xiàn)有的半導體藍光激光器、氬離子激光器很好的替代品，是藍綠光源發(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研究成果進行綜述，簡單介紹其實驗進展，并對980 nm 光纖激光器的發(fā)展進行了展望。

  980 nm摻鐿光纖激光器需解決的關鍵性問題

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

  由鐿離子的能級結(jié)構分布及其發(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轉(zhuǎn)在三能級系統(tǒng)，則需激勵大約50%鐿離子到上能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn);而運轉(zhuǎn)在四能級系統(tǒng)時，只需要抽運5%鐿離子到上能級，就可以實現(xiàn)激光輸出，可以看出其抽運閾值要遠小于980 nm波段抽運閾值。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展概況

  從20世紀90年代開始，國內(nèi)外就有科研組對980 nm摻鐿光纖激光器進行了深入研究，到現(xiàn)在為止已經(jīng)有了一定的進展和突破。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，一般的抽運光很難注入到纖芯中，導致抽運光吸收效率極低，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，抽運光源也發(fā)展使用半導體激光器(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，德國耶拿大學利用高功率915 nm LD抽運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激光器實驗裝置圖

  國內(nèi)對980 nm連續(xù)光纖激光器的研究比較晚，主要研究機構有北京工業(yè)大學、國防科學技術大學等單位。

  2011年，北京工業(yè)大學本課題組采用30 W的915 nm LD抽運內(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，國防科學技術大學采用24.5 W的915 nm LD抽運雙包層摻鐿光纖，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全光纖激光器實驗圖

  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現(xiàn)有效的抑制四能級起振，保證三能級正常運轉(zhuǎn)。而且隨著光纖耦合輸出的抽運激光器、光纖光柵、帶通濾波器等實驗器件的出現(xiàn)，使980 nm連續(xù)光纖激光器結(jié)構實現(xiàn)了全纖化結(jié)構，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、微機械加工等領域更能滿足實際應用的需求。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。

  調(diào)Q技術也叫作Q開關技術，是一種獲得高峰值功率、窄脈寬激光脈沖的技術，通常可以將脈沖寬度壓縮至納秒量級，峰值功率可達到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，通?？梢詫⒓す廨敵雒}沖的寬度壓縮至皮秒甚至飛秒量級，峰值功率可達到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，采用被動鎖模技術研發(fā)的光纖激光器因為價格低廉、結(jié)構緊湊等優(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用。

  自1986年Alcock等首次將調(diào)Q技術應用到光纖激光器以來，調(diào)Q光纖激光器就引起了廣泛關注。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，中科院上海光機所使用60 W的915 nm LD抽運非保偏大模場摻鐿雙包層棒狀PCF，通過控制Q開關，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。該實驗裝置中采用后向抽運方式，改變增益光纖反轉(zhuǎn)粒子數(shù)分布，提高978 nm增益，達到抑制四能級寄生振蕩的目的。

圖4 978 nm短脈沖調(diào)Q光纖振蕩器實驗裝置圖

  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)插入半導體可飽和吸收體，或者利用光纖本身的特性來實現(xiàn)鎖模輸出。

  2011年，法國波爾多大學科研組J Lhermite等人報道了500 nJ的全正色散976 nm光纖振蕩器，實驗中利用半導體可飽和吸收鏡(SESAM)實現(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，耦合效率低，結(jié)構穩(wěn)定性不好，會對激光器輸出指標有限制。為了確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，器件間的連接方式最好是通過光纖熔接來實現(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，更加適合實際的應用需求。

  2014年，北京工業(yè)大學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

  在激光應用的某些領域中，需要高功率、高能量的激光，只靠振蕩器來實現(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，也未必可以滿足實際應用需求。一種簡單的方法就是采用光纖放大器來實現(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)外的研究機構分別使用不同種類的增益光纖，系統(tǒng)結(jié)構也從初期的空間耦合結(jié)構發(fā)展到后來的全光纖結(jié)構，雖然平均輸出功率現(xiàn)在還達不到高功率，但是隨著種子光源和抽運光源功率的提高，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DBS Soh等人首次報道980nm摻鐿光纖放大器，應用主振蕩放大(MOPA)技術后獲得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、抽運功率提升、實現(xiàn)全纖化結(jié)構等方面的挑戰(zhàn)。對于980 nm脈沖光纖激光器，新興的二維新材料(拓撲絕緣體、石墨烯、二硫化鉬等)已經(jīng)在其他波段實現(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)大學激光工程研究院 李平雪、張月）

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