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μm附近激光输出的掺Er3+奥门新浦京官方网站:光纤激光器,纤芯的稀土离子吸收多模泵浦激光并辐射出单模激光

来源:http://www.roundh.com 作者:品牌榜 人气:146 发布时间:2020-01-31
摘要:稀土掺杂激光玻璃材料一直是光学材料领域的研究重点。近年来,2-3m激光玻璃材料在医疗、光通信、环境监测等领域都具有重要的应用前景。以往的研究主要针对目前市场上的产品玻璃

稀土掺杂激光玻璃材料一直是光学材料领域的研究重点。近年来,2-3m激光玻璃材料在医疗、光通信、环境监测等领域都具有重要的应用前景。以往的研究主要针对目前市场上的产品玻璃光纤ZBLAN,但是其物化性能、机械性能较差,特别是国内对开发新型的、物化性能较好,并且兼具发光性能的中红外发光材料研究较少。中国科学院上海光学精密机械研究所的研究人员首次研究了含有少量氧化碲的氟铝酸盐玻璃作为中红外发光材料的可能性,同时研究了Er3 离子与Yb3 离子掺杂时在不同泵浦源下的发光机理,其结果发表在ScientificReports。  上海光机所研究人员研发制备的可在中红外发光的Er3 离子掺杂的氟碲酸盐玻璃组分主要为氟铝酸盐结构,有声子能量低、红外透光范围宽等优势,并且通过少量的氧化碲调整,玻璃的形成性能较纯的氟化物有明显改善。结果表明:Er3 离子掺杂的氟铝碲酸盐玻璃适合作为中红外发光材料;在980nm激发条件下,Er3 与Yb3 共掺杂时,Yb3 可以有效的吸收泵浦光并通过Yb3 :2F5/2Er3 :4I11/2传递给Er3 离子,增加其中红外区域发光;而在1550nm以及800nm激发条件下,Yb3 为受主离子,Er3 将能量通过逆过程传递给Yb3 离子,增加其1m上转化发光,这为中红外发光材料提供了新的选择。

3) 2.0 μm附近 (掺Tm3+,Ho3+) 光纤激光器2.0 μm激光是人眼安全的激光,在气象监测、激光测距、激光雷达、遥感等方面具有广泛应用。此外,水分子在2.0 μm附近有强烈的中红外吸收峰,用该波段激光进行手术,有利于加快血液凝结,减小手术创伤,因此,中红外光纤激光器在医疗和生命科学领域也具有重要的应用。目前,用于2.0 μm附近中红外激光输出的激光激活粒子主要有Tm3+和Ho3+离子等。利用Tm3+离子的3F4→3H6和Ho3+离子的5I7→5I8跃迁发射,可分别获得波长位于2.0 μm和2.1μm 附近的激光输出。早在1989年,Hanna等采用波长为1.064 μm的Nd:YAG激光器作为抽运源,在掺Tm3+石英光纤中实现了2.038 μm的激光发射。由于玻璃光纤的非晶态属性,Tm3+离子的激光发射波长可以在较大范围内调谐。美国NP Photonics公司的Geng等在掺Tm3+锗酸盐玻璃光纤激光器中,实现了位于1740~2017 nm、最大功率达到50 mW的单频激光输出。最近,美国Northrop Grumman 公司运用组束的方法,在单模掺Tm3+光纤激光器系统中实现了波长2040 nm、功率达到608 W的激光输出。Ho3+离子掺杂光纤激光器通常通过与Tm3+离子的共掺来实现中红外激光的高效发射,运用800nm附近的激光对Ho3+ ,Tm3+ 共掺光纤进行抽运,Tm3+和Ho3+ 离子之间可以发生有效的能量传递,从而实现波长在2.0~2.1 μm的高效激光输出。4) 2.8 μm附近 (掺Ho3+,Er3+ 光纤激光器由于2.8 μm附近存在较强的水分子吸收峰,因此,该波段光纤激光器在生物、医疗等领域具有潜在的应用。此外2.8 μm光纤激光器还可以用作中远红外激光器的抽运光源,因此,研究者们对2.8 μm附近激光输出的光纤激光器进行了研究。目前,利用Er3+离子的4I11/2→4I13/2和Ho3+离子的5I6→5I7跃迁发射,可获得波长位于2.8 μm附近的激光输出。由于2.8 μm附近激光发射需要基质材料具有低声子能量和高的光学透过率,所以一般采用氟化物玻璃作为光纤基质。上世纪末,美国新墨西哥大学的Jain等运用Er3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤作为光纤激光器的增益介质,首次获得了Er3+离子位于2.8 μm附近的激光输出。3. 光纤激光器的展望随着光通信、光传感、国防、医疗等领域对光纤激光器激光发射波长,以及光束质量需求越来越迫切,目前,光纤激光器的发展趋势主要体现在新波段、窄线宽、超短脉冲等几个方面。1) 新波段由于3.0~5.0 μm波段激光具有很强的大气穿透能力,具有应用于激光制导、遥感等军事领域的巨大潜能。目前,3.0~5.0 μm波段激光激活稀土粒子主要有产生3.9 μm附近激光发射的Ho3+ 离子、产生4.6 μm附近激光发射的Er3+ 离子和Pr3+ 离子等。但是用于基质材料的多为YLF (LiYF4)、BYF(BaYF5)、KPb2CI5 (KPC)、KPb2Br5 (KPB)等中红外透过性能较高和声子能量较低的晶体,对于3.0~5.0 μm激光输出的光纤激光器而言,由于对玻璃光纤基质材料的要求较为苛刻,目前只在低温的条件下,在Ho3+离子掺杂ZBLAN光纤中实现了能量为数毫瓦的3.9 μm激光发射,而在室温下还没有在3.0~5.0 μm激光发射的光纤激光器相关报道。因此,开发出室温下3.0~5.0 μm波段高效激光输出的光纤激光器具有重要意义!除了运用种类繁多的稀土离子作为激光激活粒子外,运用具有宽带发光的过渡金属离子作为激光激活粒子也是实现新波段光纤激光器的重要途径之一。21世纪初,日本大阪大学的Fujimoto课题组观察到了Bi离子掺杂玻璃位于1300 nm附近的宽带荧光。中科院上海光机所的邱建荣教授课题组系统研究了发光机理,并实现了覆盖1265~1560 nm的超宽带光放大。2008年,俄罗斯科学院的Dianov课题组运用改进化学气相沉积技术制备了Bi离子掺杂石英光纤,并研制了1100~1500 nm区间多波长激光发射的锁模Bi离子掺杂光纤激光器。除了Bi离子外,在近红外波段具有较强荧光发射的Ni2+,Cr4+等过渡金属离子同样有潜能作为激光激活粒子实现光纤激光器中新波段激光的输出。2) 窄线宽所谓窄线宽激光器,就是通过可调滤波器、F-B滤波器、Bragg光栅等波长选择器对增益谱内起振的纵模数进行限制,只让满足特定条件的少数几个纵模,甚至只有一个纵模发生激光振荡。窄线宽光纤激光器的输出光具有极高的时间相干性和极低的相位噪声,使得其在高分辨干涉仪、相干通信、光纤传感和激光雷达等领域具有重要的应用。窄线宽光纤激光器的核心问题是实现激光器的单纵模运转和抑制多纵模振荡以及跳模现象。目前实现光纤激光器窄线宽的方式主要有:使用短直腔、使用复合腔、使用饱和吸收体、使用超窄通带滤波器等。美国NP Photonics公司的Spiegelberg等运用短直腔的方法,利用一根数厘米长的Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤作为增益介质,与一对Bragg光栅构成光纤激光器,实现了1550 nm处、线宽小于2 kHz的窄线宽激光输出。最近,华南理工大学杨中民教授课题组同样运用短直腔的方法,在一根2 cm长的Er3+/Yb3+共掺单模磷酸盐玻璃光纤作为增益介质的光纤激光器中实现了线宽小于2 kHz的窄线宽激光输出,其输出功率达到300 mW。 3) 超短脉冲超短脉冲光纤激光器在精密加工、医学、军事等领域具有广阔的应用前景。目前,主要通过锁模技术实现光纤激光器的超短脉冲激光输出。运用单独的锁模技术构建的超短脉冲光纤激光器的功率都较低,为了实现高功率超短脉冲激光器,研究者们采用啁啾脉冲放大 (CPA) 技术,将锁模光纤激光器输出激光脉冲峰值功率提升至太瓦 (1012 W) 乃至拍瓦 (1015 W) 量级。虽然超短脉冲光纤激光器的峰值功率比普通光纤激光器高数个数量级,在很多领域具有重要的实际应用价值,然而,要想使超短脉冲光纤激光器尽快走向实用化道路,还需要在以下几个方面进行进一步的研究:1)提高激光脉冲能量——相比商用化的固态激光器,超短脉冲光纤激光器的脉冲能量仍然较低,提高脉冲能量可以通过提升抽运光耦合效率和采用大模场面积双包层光纤作为增益介质等方法进行改善;2)超短脉冲激光的稳定性——由于外界环境扰动、激光在谐振腔内偏振态的起伏、频谱边带或超模噪声等等因素会导致锁模光纤激光器的稳定性不足,因此,需要继续探索和寻求新的技术和措施来提高超短脉冲光纤激光器的工作稳定性。(end)

有源光纤是在芯纤材料中掺入铒、镱等稀土离子,使光纤在泵浦光作用下传输的光信号产生直接光放大,即不再经过光-电-光的繁杂过程,这对减少维护、提高系统可靠性、延长中继距离是十分有益的,使其在长距离、大容量、高速率军用光纤通信中有着不可替代的作用。目前,比较成熟的有源光纤中掺入的稀土离子有Er3+、Nd3+、Pr3+、Tm3+和Yb3+。掺铒光纤在155μm波长处具有很高的增益,正对应低损耗通信窗口,其潜在的应用价值使其发展十分迅速。掺铒光纤芯层材料包括硅玻璃、三氧化铝、三氧化二钇、铌酸锂、单晶硅、无定形硅等。掺镨光纤是利用ZrF4为基的氟化物光纤,纤芯是PbF2/InF3为基的氟化物玻璃,包层则是InF3为基的氟化物玻璃,纤芯中掺镨Pr3+的浓度为0.05%,纤芯直径1330nm,在波长1200nm的传输损耗为250dB/km。Yb3+具有相当宽的吸收带以及相当宽的激发带,因此掺镱光纤可应用于激光器,成为波长1.0μm~1.2μm的通用源。掺铥光纤激光器的激射波长为1.4μm,也是重要的光纤通信光源。最近,丹麦科技大学的科学家们采用790nm波长、59mW的钛宝石激光器泵浦一段4.7cm长的掺铥SiO2光纤,并获得激光阈值,当泵浦功率增加到590mW时,获得1mW的1735nm波长的激光输出。当前,镱/铒、镱/钬共掺杂光纤是国外有源光纤的研究热点。镱铒共掺杂光纤具有小的可以忽略不计的离子团,具有可达到5dB/cm的特别高的单位长度光增益性质。这种光纤的出现使线性二极管泵浦DBR光纤激光器具有2kHz的窄线宽成为可能,因而允许分布光纤传感器测量大于50km的距离范围。悉尼大学的科学家们最近演示了在掺Ho3+光纤激光器中用镱作感光剂。虽然在晶态YAG基质中已探测到Yb3+-Ho3+感光激光系统,但研究小组首次在石英基质中演示,该激光器产生的2μm功率比以往任何掺Ho3+光纤激光器的都要高。在人眼安全波长2μm区运行的激光器在许多光谱学、遥感和军事领域的应用非常重要。Ho3+能掺杂到结晶和非结晶的基质内,在2.1μm处强烈跃迁,但在一般的抽动波长处缺乏强烈吸收。因此,常用铥作敏化剂掺杂在基质内吸收抽运光能量,转移到Ho3+,产生粒子数反转。对于Yb3+-Ho3+系统使用石英作为基质有两个独特的优势。首先,非结晶基质比大多数基质能维持Yb3+较高的浓度。其次,在Ho3+中石英基质可使上激光能级的自然寿命长。研究人员在1m光纤中掺Ho3+约1%,掺镱约0.1%。在D形光纤末端上的二色性反射镜把975nm的抽运辐射耦合到腔,而反射2.1μm激光辐射。含氟聚合物的外包层提高耦合度,菲涅反射镜在光纤的远端充当输出反射镜。用于高功率激光器的双包层光纤是国外有源光纤研究的另一个热点。双包层光纤比普通光纤在纤芯外多了一个内包层,即由纤芯、内包层、外包层和保护层4个层次组成。纤芯的稀土离子吸收多模泵浦激光并辐射出单模激光,使高功率、低亮度激光二极管泵浦激光转换成衍射极限的强激光输出。双包层光纤与常规光纤的区别在于能提供包层波导,耦合进包层的泵浦光在其中传播,并被纤芯中的掺杂元素所吸收。最近,美国IPG公司研制出一种双包层光纤,单模纤芯由掺镱离子等元素的石英材料构成,作为激光振荡通道,内包层则由横向尺寸和数值孔径比纤芯大得多、折射率比纤芯小的纯石英材料构成。这是一种能接收多模LD泵浦光的多模光纤,由于掺杂的激活纤芯与接收多模泵浦光的多模内包层分开,因此使多模光泵浦的单模光输出成为可能,从而无形化解了激光功率和光束质量这对矛盾。该光纤具有以下特点:整个双包层光纤采用D型结构,旋光效应小,吸收充分,光光转换效率为80%以上;光纤两侧生出无数杈枝,每分杈可与带尾纤的LD无缝耦合形成分点泵浦,可极大地提高输出功率,同时又避免了传统端泵带来的一系列热效应问题;光纤由玻璃性能优异的石英材料制成,同时掺杂耐高辐射离子,整段光纤可承受高达10000W的激光能量而不会出现热损伤情况;Yb3+没有激发态吸收,可高浓度掺杂,同时光纤可达几百米,既可显著提高激光增益,又增大了散热面积;光纤盘在热沉上,简单风冷便可稳定工作;Yb3+的吸收谱比Nd3+宽10倍,对LD泵浦光源模式十分宽松,几乎不受波长温漂的影响,可提高转换效率;Yb3+能级为简单的二能级,亚稳态寿命是Nd3+的3倍,小功率泵源就可在激发态积累贮存大量的能量,十分适合于极窄的纤芯内形成高密度的离子数反转,从而可输出稳定的强激光。

1. 引言早期用于光纤激光器和光纤放大器的光纤多为单包层光纤,普通的掺稀土单模光纤的纤芯只有数微米,抽运光很难有效耦合到光纤纤芯中去。因此,光纤激光器通常被认为是一种低功率的光子器件。近年来随着新型双包层光纤的出现和包层抽运技术的发展,光纤激光器的功率输出呈现指数级增长。最近,单模光纤激光器的激光输出功率已达到千瓦量级以上。目前,研究较多的光纤激光器主要为掺稀土光纤激光器。掺稀土光纤激光器所使用的光纤基质材料,主要有石英玻璃和多组分玻璃两大类,而多组分玻璃又包括氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃以及混合系统玻璃等。本文主要概述并展望了玻璃光纤及光纤激光器的研究现状与应用前景。2.不同波长光纤激光器的研究进展目前,根据稀土掺杂种类和激光发射波长的不同,已成功研制的光纤激光器主要包括下述4种:1) 1.0 μm附近 (掺Yb3+,Nd3+) 光纤激光器1.0 μm附近光纤激光器由于在光纤通信、激光制导、倍频激光光源、抽运光源等领域的应用而得到了广泛研究。目前,1.0 μm附近光纤激光器的掺杂稀土离子主要有Yb3+离子和Nd3+离子等。早在上世纪80年代中期,Alcock等便在Nd3+离子掺杂光纤中实现了Nd3+离子4F3/2→4I9/2的激光发射,该激光波长在900~945 nm内可调。而后,随着激光抽运光源的完善,Yb3+离子掺杂光纤激光器也被成功研制出来,其激光输出波长的调谐范围达到1.01~1.16 μm。近年来,国内南开大学、中科院上海光机所、华南理工大学等课题组以掺Yb3+玻璃光纤作为增益介质,相继研制了1.0 μm附近激光输出的光纤激光器,并获得了较佳的激光光束质量和较高的输出功率。目前,英国南安普顿大学的课题组掺Yb3+石英光纤激光器已实现了1800 W的高功率激光输出。2) 1.5 μm附近 (掺Er3+,Er3+/Yb3+) 光纤激光器由于激光输出波长位于石英光纤的1.5 μm光通信窗口附近,掺Er3+光纤激光器自上世纪90年代以来,成为了国内外研究的热点。随着研究者们对Er3+掺杂以及Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤的激光输出性能的深入研究,关于1.5 μm附近光纤激光器的研制已较成熟。英国南安普顿大学已经研制出了1.5 μm附近激光输出功率超过150 W的光纤激光器,美国的NP Photonics公司、亚利桑那大学,以及我国南开大学、华南理工大学等研究机构也已经独立研制出1.5 μm附近激光输出的掺Er3+光纤激光器。

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