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高功率中红外波段光纤激光器研究进展概况
中国科学院上海光学精密机械研究所   海燕    2013-07-03
关键字:中红外, 高功率, 光纤激光器 浏览量:

光纤激光器具有效率高、功率大和多种波导共振的特点。随着光纤制作工业的发展,由超低损耗硅酸盐玻璃构成的新型光纤有着较低的散射损耗,杂质损耗和材料缺陷,这种光纤激光器能够产生更好的光束特性和能量。在光纤激光器中,相比于包层泵浦,采用多模半导体二极管激光器作为泵浦源更直接更有效的激发单模光纤纤芯,以达到产生近衍射极限的输出和至少三个数量级亮度增强的目的。尽管使用掺稀土阳离子的光纤会引入附加的瑞利散射,但是由于光纤泵浦能更大程度增强增益,其影响微乎其微。在光纤的泵浦纤芯和激发纤芯层之间传播光束模态尺寸较小,在高效率的前提下保证了激光器的低阈值(1所示)和高增益。

1  光纤激光器采用的掺杂稀土元素的双包层光纤

红外激光器所需要非连续可协调激光光源。量子级联激光器可以产生极好的中红外激光。但是连续波工作模式下的量子级联激光器,70%输入电功率转化成为热噪声。激光器中泵浦介质作用面积大约100μm2,用它做泵浦源不易产生高功率单模中红外激光。硫系陶瓷激光器产生输出功率为15W的单个连续纵模激光,但热透镜效和多声子散射限制发射功率无法克服。直接能带隙-型半导体二极管激光器室波段范围在1.92.7μm,但俄歇复合在波段大于1.8μm的波长时将显著降低激光器效率。可协调、数瓦级输出功率的光学参量震荡结构稳定紧凑,但是参量需要窄线宽和线偏振态,显著限制泵浦。然而,光纤激光器可以完全满足连续性的选择,并且相比参量震荡,也具有众多非常重要的优势。

Yb3+离子硅玻璃光纤激光器,在波长为1μm时的输出功率和效率值最大。输出50kW的商用激光器大量在切割、焊接以及汽车制造业取得巨大成功原因如下:首先,尽管量子缺陷(即泵浦光和激光光子能量的间隙)降到10%,但是量子效率却接近100%。其次,使用硅玻璃制作光纤,提供很高的稳定性。第三,双层能级结构减缓Yb3+离子间的能量传递,降低掺Yb3+离子浓度的限制。但是,把光纤激光器发射波段朝中红外拓展甚至是扩展到中红外,对商业和实验应用非常有必要。

设计更大输出波长的光纤激光器比较容易。弱导近似情况,低阶模的模场面积由λ2标定,这对增大光纤激光器功率有重要的促进作用。激光强度引发的非线性效应会带来损耗,长波长时布里渊散射和拉曼散射会降低,光学损伤阈值增大。随着较小相对折射率差的光纤和多孔光纤的应用,模场尺寸增大,激光波长变长。

扩展激光波段范围超过硅酸盐固有的最低损耗波段1.5μm仍旧是个具有重要意义的挑战。硅酸盐玻璃有低背景吸收,低热导率、低玻璃转换温度,当超过最低损耗时,这种玻璃结构负向的影响激光输出。在光纤中的红外波传输会受声子态密度的限制,那么最大发射波长总是比最大传输波长要短。

2  掺杂不同稀土离子光纤激光器的最大输出功率与发射波长之间的关系图

各种稀土离子跃迁和基质材料的探测,促使光纤激光器连续波最大输出功率呈现指数增长,其发射波长关系如图2所示。功率下降主要原因是,在长波长时量子缺陷在不断增加,因而产生大量的热量,被持续增长的泵浦能量所吸收。由于其较小的激发区纤芯体积将导致较小的温度梯度,光纤的温度主要由周围空气冷却程度来控制,这就需要光纤有更大的表面积或更大的泵浦纤芯直径。强制空气冷却为被动对流冷却有特殊的益处,而光纤的出色冷却特性不断减少量子缺陷。此外,发展更高效的长波长泵浦源,选择更适合的激光跃迁,也能有效的减少量子缺陷,提高光束输出质量。

1. 稀土离子的激发跃迁

光纤激光器的波长由光纤纤芯中掺杂稀土离子的荧光跃迁决定的。图3显示了其产生的红外辐射激光跃迁示意图。本文中有关红外区域的命名依据国际标准。表1中列出了经过验证的掺杂稀土离子光纤激光器红外跃迁输出的最大功率值。溶解状稀土离子需要替代硅酸盐玻璃絮凝层表面硅醇组(SiOH)中的氢离子H+,稀土离子一直保持三价氧化态的状态。与离子相关的电子跃迁是产生红外光纤激光器基础。光纤中掺杂金属离子跃迁几率更大(相比稀土离子),辐射荧光波长较长,能级寿命更短。声子增宽和所有的稀土离子都是各项同性的,但是稀土离子能级受附近玻璃原子周围电场的扰动,产生能级跃迁后,变成非各向同性并且不依赖温度变化。在共价键链接的玻璃结构中,掺杂稀土离子形成了网格间区域,在与网格区域共价键相连的非桥接氧原子和稀土离子之间形成离子键。巨大的阳离子场强度需要更高的配位数,稀土离子更容易团簇在网格区域间共用非桥接氧原子。随着网格结构间共价键数目的增多,电子云重排效应会引起稀土离子的吸收峰和发射峰红向移动到更长的波长。

1  发射波长大于1.5μm中红外光纤激光器特性对照表

3  发射波长大于1.5μm的掺杂稀土离子光纤激光器的发射跃迁

与本文相关的光纤激光器近红外跃迁产生的荧光光谱在图4中有所显示。光纤激光器在波长大于1.5μm的近红外区域达到最高功率值。这种激光器的输出功率整体性能不仅与铥离子、钬离子和铒离子的强吸收作用有关,还与高功率二极管激光器的散射和光纤玻璃极佳的物理特性有关。掺杂Tm3+的光纤激光器在2μm波段时输出功率最高、效率最大,最先进。其由0.79μm波长的二极管激光器来激发泵浦,在1.862.09μm范围内可协调功率输出。随着Tm3+凝聚现象的出现,相邻Tm3+离子间的交叉弛豫在硅酸盐玻璃中共振,因此也提供了一种二极管激光器泵浦产生2μm激光最高效的办法。在Ho3+中从 5I75I8跃迁在2.1μm波长处有一个发射尖峰,与大气传输窗口重叠。这样的跃迁为掺Tm3+离子光纤激光器引入了小于7%的量子缺陷。为了利用Tm3+二极管泵浦吸收作用,掺Ho3+离子光纤激光器最初是共同掺杂Tm3+敏化剂阳离子的。

扩展激光器波长到红外波段需要氟化物玻璃光纤,它具有较低的声子能量。图4演示了掺稀土离子氟化物光纤在3μm波段的主要荧光跃迁。荧光光谱更倾向于集群在一个跨越0.6μm的区域中。该光谱内,最先进的光纤激光器就是掺Er3+的氟化物光纤激光器,波段范围从2.712.88μm可协调。在成熟的0.98μm波段二极管激光器,其光上能级吸收和掺杂Er3+子双包层氟化物光纤的有效冷却重叠,使得输出功率在大约2.8μm波段处达到24W。背景损耗小于100dB·km-1的掺高浓度Er3+离子双包层氟化物光纤,与最优化光纤谐振腔结合起来时,那么能量向上跃迁传递将有效的削减激光下能级,重复激发辐射,倾斜效率 35.6%已经超过了斯托克斯效率临界。上层激光能级比下层激光能级有更短的发光时间,所以必须要设计能够有效的降低激光下能级的方法。然而,稀土离子在光纤中能量跃迁速率比在成堆玻璃中能量跃迁速率至少是要小一个数量级,因此,在上面的证明中,斯托克斯临界值超过倾斜效率需要更大浓度的Er3+。单掺Ho3+氟化物光纤发射波段从2.83.02μm。当上层激发能级是在波长1.15μm二极管泵浦时,光纤可以减少泵浦激发态的吸收,降低较高的斯托克斯临界值。然而,由于波长1.15μm二极管激光器在光束合成、亮度保持和功率测定技术方面仍然没有涉及到泵浦源,所以激光器最大功率输出值比单掺Er3+光纤激光器低了一个数量级。

4  掺稀土离子氟化物光纤在3波段的主要荧光跃迁

2. 基质材料

光程长度较长的光纤激光器意味着制作光纤要低金属离子掺杂量、低散射损耗、较大的赫鲁比(Hruby)参数以及较低的最大声子能量。氟化物玻璃光纤激光器在2.33.5μm波段具有较高的效率和输出功率。然而,波长超过3.5μm,能够满足光纤传输和稀土离子跃迁辐射所需低声子能量的材质非常少。单掺Ho3+氟化物光纤激光器在低温下产生3.9μm波段激光,是目前输出的最长波长。

硅酸盐玻璃仍然是最成功的光纤基质材料。近乎500MW·cm-2的高损失阈值和高掺杂纯度,确保了稳定的高功率输出。硅酸盐玻璃熔点高,热扩散系数相对较低,抗张强度大,折射率低以及非线性系数低。由于纤芯激活区光纤长度较长、光强较大,所以存在大量拉曼散射效应。硅酸盐玻璃中含有较强的共价键原子,这些原子形成一个包含大量价键长度和价键角度的无序矩阵。二氧化硅维持最大的声子能量达到100cm-1,这一点限制了激发光波波长的上限。由于附加的掺杂物使光纤的附加折射率各向异性,瑞利散射损耗也在增加。从掺Tm3+离子和Ho3+离子的硅酸盐光纤可以输出2μm辐射光,最长的激光波长现在达到2.188μm

在氟化物玻璃中,一个最成功组分比例是ZBLAN65,其中包含53mol%ZrF420mol%BaF24mol%LaF33mol%ALF320mol%NaFZBLAN的成分随着相应的特性有所变化:氟化物光纤的性能是通过铸造法来实现的,冷却过程中存在的结晶化会产生多个散射中心,限制了光纤的整体性能和可用光纤的长度。几何缺陷也会引起散射。减少ZBLAN的铸造过程可以消除气泡,如果经过无水氟化物处理过程,光纤损耗变小:在2.59μm波段损耗0.65dB·km-1,在2.9μm波段(这就是在ZBLANOH杂质弹性振动的位置68)损耗值小于20dB·km-1

ZBLAN的最大声子能量大约是565 km-1,则能带大于2.825cm-1(λ<3.5μm)的稀土离子跃迁在室温下发生也可以产生荧光辐射。ZBLAN具有较低的光色散度, 1.49的低折射率,并且在0.24.5μm的波段范围内有宽广的通信窗口(这里定义为衰减小于200 dB·km-1)。相比硅酸盐玻璃,ZBLAN较低的声子最大能量值与较弱的价键强度相关;相比普通玻璃,与原子群较大的折算质量相关。在波段2.8μm10ms脉冲宽度的ZBLAN光纤损失阈值大约是25MW·cm-2,相比硅酸盐玻璃,限制峰值功率。然而,因为拉曼增益系数相对较小,所以在制作过程中不会考虑。基于ZBLAN的光纤激光器最大输出功率在2.7μm波段达到24W,在1.94μm波段20W的数量值,还可以再提高。

锗化物光纤具有稳定的机械特性,最大的声子能量值900cm-1和大的稀土离子溶解度,这就使1.9μm波段、窄线宽输出的高效率光纤中Tm3+离子浓度大量减少。然而波长超过2μm的锗化物光纤依赖于玻璃中OH掺杂的有效移动,实现起来是非常困难的。亚碲酸盐光纤也像大多数氧化物玻璃一样,OH离子浓度不足。硫属化合(以硫属元素硫、锗或者锑为基础)的高折射率导致较大的吸收和发射截面。可以拓展到中红外15μm的波段,并且在硫化物玻璃中可测得稀土离子跃迁辐射4.3μm波长的荧光。

3. 脉冲光纤激光器

硅酸盐玻璃光纤在波长为2μm情况下提供了最高的峰值功率、最大的脉冲能量和最宽的脉冲宽度,主要是因为较大的损失阈值和2μm光纤激光器成熟的制备技术。掺杂Tm3+离子和Ho3+离子的光纤激光器模式锁定后,通过非线性偏振旋转、半导体可饱和吸收体、碳纳米管来产生超短脉冲。如今光纤激光器在2μm波长的最短脉冲宽度是108fs。硅酸盐光纤会产生不规则的色散。利用光栅望远镜或高浓度的掺锗光纤来控制整个的色散,获取更大的脉冲能量。单掺Tm3+硅酸盐玻璃光纤,超短脉冲的啁啾脉冲放大经过再次压缩后,产生近兆瓦特的峰值功率。需要更久脉冲时,激活Q开关将产生仅仅持续十几ns脉冲的脉冲。脉冲二极管激光器直接激发上能级产生1.5μm波长的增益开关,脉冲持续时间不足2ns

脉冲光纤激光器发射源激发更长波长,需要利用氟化物玻璃,其表面光学损耗阈值、拉曼增益系数、光学系数较低,热机械特性相对较弱,但是比硅酸盐玻璃光纤的模场面积要大。有关掺铒的ZBLAN光纤激光器Q开关90ns的脉冲宽度,0.9kW的峰值功率)和增益开关(307ns的脉冲宽度,68W的峰值功率)的研究也取得了稳步进展。Q开关单光子跃迁和级联掺Ho3+离子氟化物光纤激光器的研究也表明,可以实现70ns脉宽的脉冲,发射波长为2.87μm双波长输出。

4.  

各个领域都需要高强度的在近红外和远红外波段的激光辐射。在软组织医学当中,用到掺Tm3+离子硅酸盐玻璃光纤激光器,因为在1.94μm波段中OH价键共振产生的吸收波长与发射波长相互重叠着。在泌尿学领域中,用于烧蚀和切割泌尿组织,汽化和切除衰竭的器官等。自由电子激光器的实验也证明,在富含脂质、骨骼和含蛋白质的组织切割过程中,使用中红外激光器都会附带较小的损伤。

在军事方面,激光的定向能量和穿过大气传输窗口的远距离传输方面的应用都需要很强的光束能量。输出功率达到50kW、波长在1μm波段光纤激光器已经广泛应用。将来的数千瓦、在单横输出的掺Tm3+离子光纤激光器也将进一步大量的应用在反巡航导弹、火箭制导和无人机空域侦查等国防战争平台当中。在红外导弹对抗当中,通过由Q开关控制、掺Ho3+离子晶体激光器(Tm3+离子光纤激光器提供泵浦)泵浦的锌禇磷化物121或者GaAs化合物122构成光学参量震荡,可以获得35μm波段的大气传输窗口。

锁模掺Tm3+离子光纤激光器已经用来产生八倍频的超连续光谱和载波包络初始频率探测。大气的成分比如CO2CONO2,分别在2.8μm2.4μm2.9μm波段都有着强烈的吸收,这些波段可以通过使用差分吸收光纤激光雷达(LIDAR)来产生。各种碳氢化合物、盐酸盐和常用于溶解显示强吸收化合物,在3.23.6μm波段激发辐射光,都起到一定的作用。

5. 将来的发展方向

在过去的二十年间,二极管泵浦的光纤激光器在2μm波段能够得到的最大输出功率增长了三个数量级。然而,数千瓦级功率输出是否具有长期的稳定性,仍然是个疑问。由于在0.79μm波段(3所示)泵浦激发态吸收作用,掺Tm3+离子光纤激光器的1G4能级产生的蓝色荧光,会导致光暗化,并且会产生相当于吸收泵浦能量 30%40%的热量。采用激发单掺Ho3+离子光纤激光器、掺Tm3+离子多横模光纤输出,最有希望克服这个问题。在1.531.56μm波段间二极管激光器,低浓度Tm3+离子光纤泵浦输出的效率提高,这对波长从近红外转移到2μm波段的,并且利用近红外光谱区域有巨大的帮助。

低浓度稀土离子掺杂光纤激光器的发展为进一步提高2μm波段高功率激光有促进作用,也可以用在氟化物光纤激光器。减少稀土离子的浓度将有助于减小吸收系数,和热负载。利用光纤几何学来恰当的设计激活纤芯和泵浦纤芯的面积比能够有效的消除热量,也因此能够降低纤芯温度和提高测量功率值。

实现光纤激光器产生3μm波段的激光也是有意义的挑战。基质材料的诸多问题阻碍着这项技术的发展。通过把量子缺陷问题和中红外波段级联掺Ho3+离子光纤激光器(二极管泵浦)联系起来,研究长波长泵浦问题。由于拉曼光纤激光器中氧属化物的拉曼增益系数较大,也大大推广商用低损耗硫属化物光纤的实用性。中红外光纤激光器将慢慢发展进入到光子学领域,已经得到众多成功的证明,但是也面临重要的挑战。

马小平编译自:Stuart D. Jackson. Towards high-power mid-infrared emission from a fibre laser. Nature Photonics. Vol:6, Pages:423~431 (2012)


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