▎導(dǎo) 讀

3 μm激光處于分子指紋區(qū)，對(duì)CH?、H?O、CO?等分子具有很高的吸收峰，在醫(yī)療、氣體檢測(cè)、軍事等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。Er3?:ZBLAN光纖激光器具有效率高、可集成的優(yōu)點(diǎn)，是3 μm激光的主要輸出方式。然而，由于ZBLAN光纖本身的機(jī)械性能較差、中紅外器件的制備工藝難度大、作為可飽和吸收體的材料損傷閾值不高等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其發(fā)展緩慢。因此，開(kāi)發(fā)綜合性能優(yōu)異的3 μm波段Er3?:ZBLAN激光器具有重要的研究意義。

近日，中國(guó)計(jì)量大學(xué)田穎教授及劉永巖碩士等在《發(fā)光學(xué)報(bào)》（EI、Scopus、核心期刊）發(fā)表了題為“3 μm波段Er3?:ZBLAN光纖激光器研究進(jìn)展及展望”的綜述文章。

綜述圍繞Er3?:ZBLAN激光器，介紹了3 μm激光的產(chǎn)生方式及Er3?:ZBLAN光纖的基本工作原理，總結(jié)了實(shí)現(xiàn)該波段高功率連續(xù)輸出和脈沖輸出的技術(shù)方案和研究進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了基于不同材料可飽和吸收體的調(diào)Q 和鎖模激光器實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)目前實(shí)現(xiàn)3 μm 波段高功率輸出需要解決的問(wèn)題進(jìn)行了分析，最后對(duì)Er3?:ZBLAN 光纖激光器的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

▎引言

目前實(shí)現(xiàn)3 μm波段激光輸出的方式可以分為四種：氣體激光器、量子級(jí)聯(lián)激光器、非線性頻率變換激光器和稀土摻雜光纖激光器。其中氣體激光器體積龐大，量子級(jí)聯(lián)激光器只能在低溫環(huán)境下運(yùn)行，非線性頻率變換激光器搭建較為復(fù)雜。與上述三種激光器相比，稀土摻雜光纖激光器具有高增益和轉(zhuǎn)換效率、光束傳輸質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊和功率可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)有望成為3 μm波段主流激光器。

光纖激光器的核心是基質(zhì)材料和增益離子，氟化物玻璃具有低聲子能量（500~600 cm-1）和低損耗的優(yōu)勢(shì)，可以摻雜多種稀土離子，是3 μm波段最佳的光纖基質(zhì)。目前發(fā)展最為成熟的氟化物光纖是ZBLAN光纖（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF），其離子的高濃度摻雜技術(shù)已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。Er3?、Ho3?、Dy3?是可在3 μm波段產(chǎn)生激光的稀土離子，其中采用Er3?做摻雜離子時(shí)，可使用成熟的商業(yè)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行泵浦，也促使Er3?:ZBLAN激光器得到迅速的發(fā)展。

▎3 μm波段Er3?:ZBLAN連續(xù)激光器

實(shí)現(xiàn)3 μm波段Er3?:ZBLAN激光連續(xù)輸出的光路結(jié)構(gòu)一般有兩種，分別為空間耦合結(jié)構(gòu)與全光纖結(jié)構(gòu)。空間耦合是最常用的光耦合方法，操作簡(jiǎn)單，圖1為空間耦合光路結(jié)構(gòu)的兩種輸出方式，（a）圖為后端輸出，（b）圖為前端輸出。基于鉺離子的能級(jí)躍遷，泵浦光在光纖中轉(zhuǎn)換為3 μm激光，與后端輸出相比，前端輸出結(jié)構(gòu)使得泵浦光在光纖中行走的路程更長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)換效率更高。

圖1：Er3?:ZBLAN激光器空間耦合光路（a）后端輸出和（b）前端輸出結(jié)構(gòu)。

由于氟化物光纖本身的物理性質(zhì)，光纖在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的熱量會(huì)持續(xù)積累，從而對(duì)端面造成損傷，所以需要對(duì)光纖進(jìn)行散熱和端面除水處理。圖2是兩種常見(jiàn)光纖散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，分別采用液體與纖身直接接觸和間接接觸的方式對(duì)光纖進(jìn)行降溫。圖2（a）為直接冷卻法，采用的液體一般為循環(huán)流動(dòng)的氟碳液體冷卻劑，溫度控制在20 ℃左右，將光纖浸泡在充滿氟碳液體冷卻劑的鋁板中以達(dá)到降溫的目的。圖2（b）為間接冷卻法，在鋁板內(nèi)部通水以保持20 ℃的恒定溫度，通過(guò)鋁板與纖身的接觸來(lái)進(jìn)行散熱。    

圖2：光纖散熱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。（a）液體直接冷卻；（b）液體間接冷卻

與空間耦合相比，全光纖結(jié)構(gòu)可以完美的避開(kāi)端面因光子碰撞產(chǎn)生的熱損傷，從而提高激光器損傷閾值，圖3為Er3?:ZBLAN激光器全光纖結(jié)構(gòu)裝置示意圖，實(shí)現(xiàn)全光纖技術(shù)的關(guān)鍵是泵浦尾纖與氟化物光纖的熔接（S1）、光纖端帽的熔接（S2）、高反和低反光纖光柵（HR-FBG和LR-FBG）的寫(xiě)入。其中光纖光柵是利用光纖的光敏性，對(duì)光纖纖芯折射率進(jìn)行周期性調(diào)制的一種無(wú)源器件，它與光纖兼容度很高，在光路中起到振蕩反饋、濾波和波長(zhǎng)調(diào)諧的作用。ZBLAN光纖光敏性低，可以利用材料的非線性吸收特性，通過(guò)相位掩模法與激光直寫(xiě)法直接將光柵刻入光纖內(nèi)。

圖3：Er3?:ZBLAN激光器全光纖結(jié)構(gòu)裝置示意圖

▎3 μm波段Er3?:ZBLAN脈沖激光器

脈沖激光器的光路結(jié)構(gòu)是在連續(xù)輸出激光器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將二維材料制成的可飽和吸收體插入諧振腔內(nèi)，利用材料的可飽和吸收特性對(duì)光路進(jìn)行調(diào)Q和鎖模調(diào)制，可以短時(shí)間內(nèi)輸出大量能量。如圖4所示，一般采取（a）直型腔和（b）“Z”型腔將飽和吸收體集成到光路中。與直型腔相比，“Z”型腔可以將光高效的匯聚在飽和吸收體上，有效避免了腔內(nèi)寄生振蕩的產(chǎn)生。目前半導(dǎo)體可飽和吸收鏡（SESAM）是發(fā)展最為成熟的商用可飽和吸收體，但其價(jià)格昂貴，工作波長(zhǎng)最遠(yuǎn)只能到3 μm，近年來(lái)石墨烯、黑磷、Fe2?:ZnSe、拓?fù)浣^緣體、過(guò)渡金屬硫化物等新型材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特性，已逐漸成為2.7~3 μm波段可飽和吸收體的熱門(mén)材料。    

圖4：Er3?:ZBLAN脈沖激光器常見(jiàn)光路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。（a）直型腔；（b）“Z”型腔

▎結(jié)論與展望

3 μm激光獨(dú)有的光學(xué)特性使其在各領(lǐng)域均有極大的應(yīng)用價(jià)值，近年來(lái)研究學(xué)者的不懈努力，促進(jìn)了3 μm波段光纖激光器的迅速發(fā)展。但仍存在一些難以攻克的技術(shù)難題，如受斯托克斯極限的限制，泵浦轉(zhuǎn)化效率無(wú)法超過(guò)35%；ZBLAN光纖材料機(jī)械性能差，拉制困難、制備成本高；光柵刻寫(xiě)、氟化物光纖的熔接、光纖端面處理工藝操作復(fù)雜，難以全面推廣；現(xiàn)有的飽和吸收體材料損傷閾值低等問(wèn)題。盡管目前中紅外波段光纖激光器的發(fā)展相對(duì)近紅外激光的發(fā)展仍有差距，隨著國(guó)家對(duì)3 μm激光器需求的增加，相信在未來(lái)幾年內(nèi)，中紅外激光器有望實(shí)現(xiàn)高功率、低成本、商業(yè)化的發(fā)展。

▎論文信息

劉永巖，田穎*，楊雪瑩，蔡恩林，李兵朋，張軍杰，徐時(shí)清，3 μm波段Er3?∶ZBLAN光纖激光器研究進(jìn)展及展望[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2024,45(01):125-138. DOI: 10.37188/CJL.20230258

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230258/