掺镱光纤激光器980nm波段很吸引人

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  Iccsz讯 光纤激光器由于其光束质量好、效率高、体积小、无水冷、可实现全纤化结构等优点,以及其在光通信、光传感、激光加工、医疗等领域的广泛应用,使其近几年来发展十分迅速。与其他掺杂光纤激光器相比,掺镱光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭效应、多声子跃迁等激发过程,是目前国际上激光技术研究热点之一。在掺镱光纤激光器中,980 nm波段很吸引人。

  首先,980 nm激光器是掺铒、掺镱光纤激光器和放大器的重要抽运源;

  其次,980 nm波段激光通过晶体倍频可以获得480~490 nm蓝绿光输出,是现有的半导体蓝光激光器、氩离子激光器很好的替代品,是蓝绿光源发展的新趋势。

  本文从三种工作模式(连续光纤振荡器、脉冲光纤振荡器、光纤放大器)出发,对国内外980 nm波段光纤激光器相关研究成果进行综述,简单介绍其实验进展,并对980 nm 光纤激光器的发展进行了展望。

  由镱离子的能级结构分布及其发射谱的两个发射峰可知,其激发可产生980 nm波段的三能级系统和波长范围1010-1080 nm的四能级系统,如图1所示。

  若要使掺镱光纤激光器运转在三能级系统,则需激励大约50%镱离子到上能级实现粒子数反转;而运转在四能级系统时,只需要抽运5%镱离子到上能级,就可以实现激光输出,可以看出其抽运阈值要远小于980 nm波段抽运阈值。其次,由于掺镱光纤中的镱离子在980 nm波段不仅有很高的发射峰而且有高的吸收峰,所以由三能级产生的980 nm激光可作为四能级系统的抽运光源而被吸收。为了解决这两大问题,除了使用高功率、高亮度的抽运光源外,还需要选择合适参数的增益光纤,来获得更高功率980 nm光纤激光器。

  从20世纪90年始,国内外就有科研组对980 nm掺镱光纤激光器进行了深入研究,到现在为止已经有了一定的进展和突破。980 nm光纤激光器按照工作模式可分为以下几类:980 nm连续光纤振荡器、980 nm脉冲光纤振荡器、980 nm光纤放大器。

  对于980 nm掺镱光纤激光器的报道,常见的是以连续方式工作的980 nm光纤激光器。2000年,康宁公司L.A.Zenteno等人采用了1.1 W的946 nm Nd:YAG固体激光器抽运CS980单模光纤,获得最大输出功率655 mW,979.8 nm单模激光输出。虽然单模光纤输出光束近衍射极限,其纤芯直径特别小,一般的抽运光很难注入到纤芯中,导致抽运光吸收效率极低,所以初期的980 nm光纤激光器输出功率还只是毫瓦量级。

  后来出现双包层光纤,抽运光源也发展使用半导体激光器(LD),大大提高了激光器的输出功率。为了保证光纤激光器中更多的抽运光可以被增益光纤所吸收,一些单位也开始研制并使用超大芯径的光子晶体光纤(PCF)作为增益介质,在提高数值孔径和大模场面积的同时,又保证了单模输出,能够承受更高功率的抽运光源,更加适合高功率光纤激光器的发展。

  2008年,德国耶拿大学利用高功率915 nm LD抽运1.2 m大模场棒状掺镱PCF,获得输出功率94 W的980 nm连续激光,如图2所示。这是迄今为止获得980 nm掺镱光纤振荡器的最高输出功率。

  国内对980 nm连续光纤激光器的研究比较晚,主要研究机构有北京工业大学、国防科学技术大学等单位。

  2013年,国防科学技术大学采用24.5 W的915 nm LD抽运双包层掺镱光纤,最终获得1.73 W的977.4 nm激光输出,如图3所示。高功率抽运激光器以及大芯包比的增益光纤更加有利于获得980 nm激光输出。

  2015年,中国工程物理研究院利用双包层掺镱光纤作为增益介质,获得最大输出功率16.7 W的981.7 nm激光。

  通过上述工作我们发现在掺镱光纤中,可以通过选择合适长度、合适芯包比的增益光纤来实现有效的抑制四能级起振,保证三能级正常运转。而且随着光纤耦合输出的抽运激光器、光纤光栅、带通滤波器等实验器件的出现,使980 nm连续光纤激光器结构实现了全纤化结构,但是国内在连续980 nm光纤振荡器方面输出功率还是比较低,更好地提高激光输出功率是在以后发展中需要关注的问题。

  与连续光纤激光器相比较,脉冲光纤激光器能将振荡腔内存储的能量在很短的时间内释放出来,在生物成像、高速光纤通信、微机械加工等领域更能满足实际应用的需求。其中调Q和锁模是得到980 nm脉冲激光 两种最常用的技术。

  调Q技术也叫作Q开关技术,是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术,通常可以将脉冲宽度压缩至纳秒量级,峰值功率可达到106 W以上。锁模作为一种新的压缩脉宽的途径,又被称为超短脉冲技术,通常可以将激光输出脉冲的宽度压缩至皮秒甚至飞秒量级,峰值功率可达到1012 W 以上。

  按照工作原理,锁模分为主动锁模、被动锁模等多种形式。近年来,采用被动锁模技术研发的光纤激光器因为价格低廉、结构紧凑等优势,性能也可以和固体激光器相媲美,在皮秒级和飞秒级光源上都得到了广泛的应用。

  自1986年Alcock等首次将调Q技术应用到光纤激光器以来,调Q光纤激光器就引起了广泛关注。国内外对980 nm调Q光纤激光器的报道比较少,而国内对此方向的研究则出现较晚。

  2013年,中科院上海光机所使用60 W的915 nm LD抽运非保偏大模场掺镱双包层棒状PCF,通过控制Q开关,获得稳定978 nm脉冲序列,其中脉宽9 ns,单脉冲能量120 μJ,峰值功率130 kW,如图4所示。该实验装置中采用后向抽运方式,改变增益光纤反转粒子数分布,提高978 nm增益,达到抑制四能级寄生振荡的目的。

  光纤激光器中形成锁模的方式很多,可以通过在谐振腔内插入半导体可饱和吸收体,或者利用光纤本身的特性来实现锁模输出。

  2011年,法国波尔多大学科研组J Lhermite等人报道了500 nJ的全正色散976 nm光纤振荡器,实验中利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现锁模输出,如图5所示,最大平均输出功率为4.2 W,脉冲宽度24 ps。

  上述报道的980 nm波段锁模光纤激光器,系统是空间结构,耦合效率低,结构稳定性不好,会对激光器输出指标有限制。为了确保系统稳定运行,器件间的连接方式最好是通过光纤熔接来实现的。相较之下,全光纤锁模振荡器会解决这些问题,提高系统的稳定性,更加适合实际的应用需求。

  2014年,北京工业大学本课题组报道了一台980 nm全光纤NPR锁模掺镱光纤振荡器,如图6所示,最终获得平均输出功率26.1 mW,脉冲宽度159.48 ps,单脉冲能量1.28 nJ。

  在激光应用的某些领域中,需要高功率、高能量的激光,只靠振荡器来实现是有一定困难的。尽管通过脉冲激光器可获得高峰值功率,也未必可以满足实际应用需求。一种简单的方法就是采用光纤放大器来实现高脉冲能量、高功率激光输出。

  在连续光纤放大器中,国内外的研究机构分别使用不同种类的增益光纤,系统结构也从初期的空间耦合结构发展到后来的全光纤结构,虽然平均输出功率现在还达不到高功率,但是随着种子光源和抽运光源功率的提高,以及其他光纤器件的发展,以后会获得更高功率连续980 nm光纤放大器。

  2004年,英国南安普顿大学DBS Soh等人首次报道980nm掺镱光纤放大器,应用主振荡放大(MOPA)技术后获得4.3 W 977 nm连续激光,线 nm光纤放大器也有一定的研究。2014年,国防科技大学首次报道980 nm全光纤掺镱双包层光纤放大器,最大输出功率为6.22 W。

  在980 nm脉冲光纤放大器方面,2011年,法国波尔多大学Guillaume Machinet等人,以一个脉宽2 ps,单脉冲能量10 nJ的全正色散976 nm被动锁模光纤振荡器作为种子源,经放大后获得激光脉冲的平均输出功率为40 W,峰值功率640 kW,单脉冲能量1 μJ,脉冲宽度1.56 ps。

  国内对980 nm脉冲光纤放大器研究相对较少。2016年,本课题组报道了980 nm全光纤SESAM锁模放大器,采用两级MOPA放大机制后,获得最大输出功率为740 mW,重频200 ps,线 nm。

  980 nm光纤激光器要走向实用化,还面临着光纤制备工艺提高、抽运功率提升、实现全纤化结构等方面的挑战。对于980 nm脉冲光纤激光器,新兴的二维新材料(拓扑绝缘体、石墨烯、二硫化钼等)已经在其他波段实现稳定锁模,希望以后也能在980 nm波段获得更好的成果。

  (原标题:在掺镱光纤激光器中,980 nm波段是很吸引人的 作者:北京工业大学激光工程研究院 李平雪、张月)