中红外光纤激光器

1中红外光纤激光器摘要位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。利用固体激光器泵浦稀土离子掺杂的玻璃光纤产生荧光发射是直接获得2～5μm波段中红外激光的有效途径，具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点。本文介绍了中红外光纤激光器的原理、研究现状和发展前景。对中红外光纤激光器的发展和研究方向进行了阐述。关键词：中红外；光纤激光器；稀土离子；硫化物光纤；氟化物光纤一、中红外光纤激光器简介1.1中红外激光位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。它位于大气“透明窗口”,处于大多数军用探测器的工作波段,可以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外干扰等军事用途。在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制，它还可以用于新一代激光手术,使血液迅速凝结,手术创面小、止血性好（水分子在3μm附近有很强的吸收峰）此外，采用2～5μm替代目前广泛使用的1.55μm作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题，由于材料的Rayleigh散射与光波长的四次方成反比，采用2～5μm作为工作波长可以有效降低光纤损耗，增加无中继通信的距离。因此，研发中红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。获得中红外激光的方法有间接方法和直接方法。其中间接方法包括：(1)CO2激光器的倍频及差频输出(2)利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或光学参量振荡技术将其它波段激光调谐到中红外波段直接方法包括：(1)以氟化氘等为介质的化学激光器(2)以AlGaAsSb，InGaAsSb，InAs/(In)GaSb等锑化物窄禁带半导体、过渡金属离子掺杂的Ⅱ–Ⅵ族半导体制作的中红外激光器(3)近红外半导体激光泵浦的稀土离子或过渡金属离子掺杂的玻璃、2晶体的光纤激光器。1.2光纤激光器光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，主要由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成,结构如图1.1所示。图1光纤激光器的泵浦源由一个或多个大功率激光二极管构成,其发出的泵浦光经耦合系统耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内,泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收,形成粒子数反转,受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。光纤激光器的优点在于光纤激光器是波导式结构，易于实现和光纤的耦合。与传统的固体和气体激光器相比,光纤激光器的光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好。在近红外波段(1~2μm),光纤激光器与光纤拉曼激光器已经广泛地应用于通信、工业、医疗、国防等领域。中红外光纤激光器即在光纤激光器的基础上，通过改变光纤材料和掺杂离子种类和类型等手段来控制能产生谐振的波长，使激光器输出中红外波段激光。二、中红外光纤激光器的原理2.1激活离子的选择与泵浦中红外光纤激光器的增益介质是稀土元素中的镧系元素——镧(La)、铈(Ce)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)、钐(Sm)、铕(Eu)、钆(Gd)、铽(Tb)、镝(Dy)、钬(Ho)、铒(Er)、铥(Tm)、镱(Yb)、镥(Lu)，以及与镧系的153个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素。镧系元素具有相同的外层电子结构,f-f组态之间有1639个跃迁能级，能级对之间的可能跃迁数高达199177，可观察到的谱线高达30000多条，再加上f-d组态之间存在的跃迁等，数目就更多了。但是要想实现2~5μm跃迁，上下跃迁能级能量间隔则需要处于2000~3300cm-1之间。他们在中红外的能级图如图2所示图2中红外发光离子能级图对这类稀土离子来说，谱线间的跃迁比较复杂，可能会带来问题。这时就需要用到共掺杂技术例如Ho3+，Pr3+共掺杂的ZBLAN激光器,能级图如图2所示。基态Ho3+在抽运光作用下被激发到5I6能级,而发生于5I6能级的能量传递上转换(ETU)将会导致5I6能级上粒子数降低,因此需要尽量避免。Ho3+的5I7能级到Pr3+的3F2能级的能量传递则会使得激光低能级5I7的粒子数迅速衰减,从而保证粒子数反转和激光器的稳定输出。由于3μm共餐掺Ho3+ZBLAN光纤激光器上能级ETU有着相对较高的速率系数,这将导致Ho3+的利用受到限制。因此,在设计光纤时既要保证有足够高浓度的Ho3+使抽运光得到充分吸收,同时又要有足够浓度的Pr3+使激光下能级5I7粒子数能够通过能量传递而减少,再通过Pr3+多声子衰减而迅速下降到基态。4图3共掺杂Ho3+，Pr3+共掺杂能级图2.2基质的选择根据经典的光谱理论，稀土离子在某个激发态产生总跃迁几率（W）等于辐射跃迁几率（Wrad）与无福射跃迁几率（Wnr）之和。因此，稀土离子能级间产生中红外辐射跃迁几率往往受基质材料影响，即稀土离子和基质间的相互作用，主要体现在稀土离子的能量传递给玻璃基质的晶格振动，即引起多声子弛豫，也即激发态能级粒子的无辐射跃迁。多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率为：其中：式中，W0是带隙为零时且没有声子发射时的转移速率，为常数。Pi为声子阶数，。△E为能级间的能量间隔，为声子能量。g是电子与声子耦合强度。多声子过程的无辐射跃迁几率首先决定于声子阶数，即能级间的能量间隔和声子能量。前者决定于稀土离子的能级结构而后者决定于基质本身。由左式可知，当两能级能量间隔△E固定不变时，多声子弛豫率主要是由材料晶格振动中的高能声子决定，声子频率越高，多声子无辐射弛豫几率也越大。0.exp()NRWWE1(ln/1)ipg/ipE5在稀土掺杂的玻璃材料中实现2μm以上的荧光必须满足两个条件：一(1)具有大得多的折射率，根据Judd–Ofelt理论可以推测具有较大的偶极子振荡强度，较大的折射率才能使玻璃中溶解的稀土离子周围产生强的局部电场而诱发大的受激辐射截面；(2)透红外界限高(12μm)，具有非常低的声子能量(如图3所示)，因而多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率低，激发态寿命长，量子效率高。由于石英材料的声子能量高达1100cm-1,因此在波长大于2.2μm时传输损耗会很大,不能用于制作波长超过2.2μm的光纤激光器或光纤拉曼激光器。图2.1为各种基质玻璃的最大声子能量，分别为硼酸盐玻璃，磷酸盐玻璃，硅酸盐玻璃，锗玻璃玻璃，碲酸盐玻璃，氟化物玻璃，硫化物玻璃，硒化物玻璃。我们看到氟化物玻璃和硫化物玻璃最大声子能量相对较低。所以目前最常用的中红外光纤为硫化物光纤和氟化物(ZBLAN)光纤。他们都有两个特性图4各基质玻璃的声子能量硫化物光纤主要包含一种或多种硫族元素如S、Se、Te等与少量其他元素如Ge、As、Sb等。硫系玻璃具有大得多的折射率(2.3)，有较大的偶极子振荡强度，并且较大的折射率会使硫系玻璃中溶解的稀土离子周围产生强的局部电场而诱发大的受激辐射截面；透红外界限高(12μm)，具有非常低的声子能量，因而多声子弛豫引起的无辐射跃迁几率低，激发态寿命长，量子效率高。以S元素或Se元素为主的光纤可以分别实现在0.8~7μm和1~10μm范围内的低损耗传输。特别地,As-Se光纤具有很高的非线性系数,一般为石英光纤的几百倍,并且其具有很窄的拉曼线宽(约60cm-1)。利用这个特性,As-Se硫化物光纤可以用于制作中红外拉曼光纤激6光器,这使实现比抽运光更长波长的光纤拉曼激光成为可能。氟化物光纤由ZrF4,BaF2,LaF3,AlF3,NaF按一定的比率制成,这种材料的声子能量为550cm-1,因此在波长小于6.0μm的范围内可以实现低损耗传输。目前利用在氟化物光纤中掺杂Tm3+、Ho3+、Er3+等不同离子已实现2~3μm波段的多种激光输出。图2.2为石英玻璃和氟化物玻璃的色散曲线，1为石英玻璃，2为氟化物玻璃。氟化物玻璃的色散曲线要平坦得多。图5色散曲线图7三、中红外光纤激光器的研究现状近年来中红外光纤激光器的研究主要集中在光纤材料和掺杂浓度和制作工艺等方面。下面举几个典型的例子来说明中红外光纤激光器的研究现状。2006年,Jackson等人用一个掺Tm3+石英光纤激光器抽运,对As-Se光纤拉曼激光特性进行了实验研究，如图所示。实验中使用的为As2Se3光纤。抽运源的工作波长是2051nm。可产生2062nm，2102nm和2166nm的一级、二级、三级拉曼激光。其结构如图6所示。图6掺Tm3+石英光纤激光器美国的海军实验室（NavalResearchLab，NRL）在2~5μm中红外发光的稀土离子掺杂硫系玻璃和光纤研究与应用领域处于领先地位。图7为NRL实验室集成的LD泵浦掺Pr硫系玻璃光纤装置实物图及光纤发射的2~5μm宽带荧光图谱。图7掺Pr硫系玻璃光纤装置2008年,Eichhorn等[16]对掺Tm3+物质的量分数为2.5%的ZBLAN光8纤激光器,输出2.3微米激光。使用2个792nm半导体激光器抽运,将其输出功率提高到了20W,斜率效率为49%,其实验原理如图3.3所示。掺Tm3+ZBLAN光纤激光器近年来发展迅速,这是因为它在790nm处有很宽的吸收带,从而为使用AlGaAs半导体激光器抽运提供了便利。Er3+在4I13/2低能级较高寿命引起的粒子数瓶颈限制问题。Er3+与Pr3+之间的能量传递被认为是解决粒子数瓶颈限制的另一个方法。2006年,Zhu等利用双向抽运和菲涅耳反射镜,实现了4m长和12m长Er3+,Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器的3μm输出,其斜率效率分别为20.95%和22.28%,其实验原理如图8所示。图8Er3+,Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器目前,3μm左右的ZBLAN中红外光纤激光器正在快速发展,相信不久之后将能达到百瓦量级,尤其是级联掺Er3+光纤激光器因其较低的掺杂浓度和温度最具前景,另外掺Ho3+光纤激光器也具有较好的应用前景。由于硫化物低损耗传输波段更宽,因此利用拉曼硫化物光纤激光器和掺稀土硫化物光纤激光器可以实现更长波长的激光输出。但是制备硫化物光纤时的纯度成为了制约其发展的瓶颈,阻碍了硫化物光纤在中红外光纤激光器中的大范围使用。另外目前的硫化物玻璃材料机械、和热稳定性还比较差。一旦这些困难被克服,并且选择适合的掺杂物质及其浓度,将会实现硫化物光纤激光器超低损耗、高功率的稳定激光输出。9四、中红外光纤激光器的研究方向中红外光纤激光器材料需要进一步研究解决的问题还很多，主要有以下几个方面。（1）改进提纯工艺，降低玻璃和光纤光学损耗。稀土离子在中红外区的发光要求基质材料具有很低的声子能量。常规的氧化物玻璃包括重金属氧化物玻璃都无法满足这一条件，无氧玻璃(包括氟化物和硫化物玻璃)因此受到重视。然而，目前无氧玻璃相比氧化物玻璃在原料高质量提纯、大尺寸制备、光纤拉制等方面的差距还较大，这是制约硫系玻璃和光纤发展的瓶颈，也是制约中红外发光稀土掺杂硫系玻璃光纤走向实用化的最大障碍。（2）提高稀土离子浓度.鉴于高纯硫系、氟系玻璃及光纤的制备仍是一项困难的工作，因此作为中红外光纤激光器材料使用时，在保证不产生浓度淬灭现象的前提下希望尽可能地增加稀土离子浓度，以提高光纤单位长度增益。（3）研究稀土共掺敏化和钝化提高中红外发光效率。目前稀土离子单掺的中红外发光特性的研究较多，而双掺和三掺的较少，利用离子敏化和钝化是进一步提高稀土离子中红外发光的重要发展方向之一。五、总结中红外光纤激光器在很多领域有着重要的应用。本文介绍了中红外光纤激光器的原理、研究现状和发展前景。对中红外光纤激光器的关键和研究的主要任务做了重点阐述。总之，一旦改进工艺，克服一些技术难题，中红外光纤激光器的发展前景是非常可观的。10参考文献[1]郭海涛，中红外发光稀土掺杂硫系玻璃的研究进展[J],硅酸盐学报，2009[2]苏旭,中红外波段二阶非线性光学晶体材料研究进展[J]，无机化学学报,2006[3]张雄，中红外波段锑化物激光器、探测器器件与物理研究[D]，上海：中国科学院上海微系统与信息技术研究所,2004.[4]卞进田，中红外激光技术及其进展[J]，红外与激光工程，2006[5]唐玉龙，两微米瓦级掺铥短