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光纤激光器的研究现状与应用前景 |
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作者：华南理工大学 董国平 杨中民 |
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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+（掺Nd3+）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。
华南理工大学光通信材料研究所自主研制的Er3+/Yb3+)共掺窄线宽单频光纤激光器
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（液氮制冷）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（MCVD）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（皮秒、飞秒等）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)
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(6/18/2010) |
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