输出波长为2µm的“人眼安全”的高功率光纤激光器，由掺铥二氧化硅光纤构成，并由790nm光源泵浦。
Adrian Carter, Bryce Samson, Kanishka Tankala
光纤激光器已经从一个很小的细分市场成长为主流的激光器平台，其在2006年的销售额就已经超过1亿美元。直到最近，仅有的高功率光纤激光器技术是输出波长在1µm附近的基于掺镱（Yb）光纤的激光器，这是在过去十年间发展起来的一项技术。尽管业界曾多次宣称光纤技术所取得的突破，但是很少有技术能像2µm光纤激光器技术那样快速发展。2µm光纤激光器是基于掺铥（Tm）二氧化硅光纤的新一代高效输出的高功率激光器。
该千瓦级光纤激光器的优点在于其工作在“人眼安全”波段，同时还能采用商用化的790nm波长的高功率二极管技术。该激光器中用到的掺铥光纤，基于电信级的二氧化硅光纤技术，并且与为1µm激光器设计的基本器件相兼容，再加上现有的泵浦二极管技术，从而使这项技术得到了快速发展。
发展历史
众所周知，铥离子在固态晶体激光器中存在交叉弛豫现象，即一个铥离子吸收一个790nm的泵浦光子会在激光辐射的亚稳态能级产生两个激发态离子。优化这个过程可以使一个泵浦光子产生两个激光辐射光子，因此从理论上讲，其量子效率接近200%。近年来对这种现象研究和拓展，促使790nm泵浦掺铥光纤激光器的斜率效率从1998年的30%左右提高到了2005年的接近70%（见图1）。[1]
图1：掺铥光纤（上图）中的交叉弛豫过程的优化，使2µm光纤激光器的效率增加到目前1µm掺镱光纤激光器（下图）的水平。
由于效率的提高，单一掺铥光纤激光器的输出功率开始达到千瓦水平（见图2）。[2]尽管目前报道的最高输出功率并没有获得完美的接近衍射极限的光束质量（由于使用光纤的多模特性使然），但是它们仅受限于可获得的泵浦光功率，因此其在技术上显示出了产生千瓦级输出功率的潜力。
图2：由于光纤效率的提高，2µm的单一掺铥光纤激光器的输出功率已经得到提高，并达到了1kW水平。
事实上，近年来已经报道了高效率光纤技术的拓展结合了大模场光纤（LMA）的设计，其中有效纤芯数值孔径通过引入仔细设计的基架层得以减小，而且保偏输出的光纤激光器设计也有报道。[3]使功率提高的一个重要的因素就是790nm的高亮度、高功率泵浦二极管的实用化，这实际上是Nd: YAG激光器的泵浦源808nm二极管激光器的改进版。相信合适的高功率泵浦二极管的广泛实用化是使这种新型激光技术降低成本、走向实用化的一个重要因素。
最新技术
还有一些其他因素使人们对2µm掺铥光纤激光器产生极大的兴趣。与掺镱光纤激光器相比，掺铥光纤激光器的光谱可调谐范围更宽，波长范围从低于1850nm到超过2100nm，对应的带宽超过200nm。[4]这个波段包含了1940nm附近的水吸收峰，从而使这些激光器成为包括非侵入手术的诸多医疗过程的有力工具；[5]此外该波段还包含几个大气窗口，可用于遥感、激光雷达、远距离搜索和高能激光武器等。的确，由于工作在人眼安全波段，可允许的辐照水平比可以比1µm高出几个数量级，掺铥激光器的这种特性已经引起了美国国防部多个小组的注意。
对于研究超快脉冲产生的研究人员来说，掺铥光纤激光器的带宽特性也具有潜在的优势。[6]此外，工作在脉冲或连续光模式下的掺铥光纤激光器，也是产生3~5µm中红外光的一个颇具吸引力的高效泵浦源，如用在对抗应用中。[7]通过倍频，工作在波长小于1.9µm的掺铥光纤激光器可以获得900~950nm的近红外光输出，而传统的固体激光器是很难获得这个波段的输出的。[8]因此，将频率变换到蓝光和紫外光将增加其他的重要波长，所以这些都将得益于紧凑、高效的光纤光源的实用化。
另一个活跃的研究领域是工作在2µm的高功率、窄线宽掺铥光纤激光器与工作在1µm的掺镱光纤激光器在光学非线性限制方面的比较。尽管最近LMA光纤技术取得了一定的进展，但是目前许多掺镱光纤器件的特性仍然受到光学非线性的限制，这也导致了业界开始研究新型光纤技术，目的是在不牺牲光束质量的前提下来增加模场尺寸。其他的研究集中在波导设计领域，目的是抑制特殊的非线性现象，比如受激布里渊散射（SBS），这主要通过优化玻璃成分和波导设计来实现。
在这方面，掺铥光纤放大器表现出了独特的优势，其在2040nm波长可产生超过600W的单模、线宽小于5MHz的激光输出（见图3）。[9]据悉，这是在任何波长下最高功率的单频、单模光纤激光器，超过了以往报道过的在1µm和5µm波长的值，尽管这些波长已经被研究多年。此外，这种放大器链（amplifier chain）的输出功率受限于可获得的泵浦光功率而非SBS，很显然其具有在人眼安全波段进一步提高窄线宽输出功率的潜力。
图3：左图显示，单模掺铥放大器可以把单频种子放大到600W；右图表明，SBS的阈值明显高于在1µm 光纤放大器中观测到的值。
展望
随着2µm光纤激光器技术的成熟，业界可以获得更多的器件，包括光纤耦合隔离器、耦合器和光纤光栅，这些器件将推动这个波长下的集成激光/放大器的发展。[10]当然与1µm光纤激光器的架构相类似，意味着需要在2µm诊断设备上投入大量经费，比如光谱分析仪和合适的2µm光纤耦合的种子源。
在过去的几年间，工作在790nm的高功率、高亮度泵浦二极管的所取得的进步，将会使2µm光纤激光器工作在更高的功率水平，同时使2µm光纤激光器的价格与目前1µm光纤激光器/放大器的价格相当。
参考文献：
1. G. Frith et al, Electronics Lett. 41, p. 1207, (2005).
2. P.F. Moulton et al, IEEE J. Sel. Topics in Quantum. Elect. 15(1) p 85.
3. G. Frith et al, Proc. SSDLTR 2008, p. 200.
4. W.A. Clarkson et al., Optics Lett. 27(22) p. 1989, (2002).
5. S. Wenk et al., Springer Series in Physics 114, Advances in Medical Eng., p 227 (2007).
6. Haxen et al., Optics Express 16(25) p 20471 (2008).
7. D. Creedon et al., Optics Lett. 33, p. 315 (2008).
8. G. Frith et al., Proc. ASSP 2009, paper WB5.
9. G. Goodno et al., Proc. ASSP 2009, postdeadline paper PD MF2.
10. T. Ehrenreich et al., Proc. ASSP 2009, paper WB2.(end)
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