楊 偉，段云鋒，王 強(qiáng)，張秀娟，鄧明發(fā)

(北京東方銳鐳科技有限公司，北京100015)

1 引言

由于3μm波段的激光被水分子強(qiáng)烈吸收，同時(shí)Ca、P等也對其具有很高的吸收率，所以該波段激光可被用于切割多水份的生物軟組織以及骨骼，應(yīng)用在激光手術(shù)中有著凝血迅速和手術(shù)創(chuàng)面小的優(yōu)點(diǎn)［1］。為了得到3μm波段的激光，人們研究采用HF激光器、固體激光器、光纖激光器等多種方式。與前兩者相比［2－6］，光纖激光器光束質(zhì)量好，體積小、轉(zhuǎn)換效率高、散熱效果好，且在高功率化輸出的發(fā)展中有著很好的前景，倍受人們關(guān)注。

為了獲得3μm波段的光纖激光器，需要克服常規(guī)光纖中聲子能量高及相應(yīng)波段光傳輸損耗的問題。目前，最常用的是氟化物(ZBLAN)和硫化物光纖［7－8］。氟 化 物 光 纖 的 典 型 成 分 為ZrF4，BaF2，LaF3，AlF3，NaF，其物質(zhì)的量的分?jǐn)?shù)分別為53%，20%，4%，4%和20%，材料的聲子能量為550 cm－1，因此波長在0.8～4.5μm的范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)低損耗傳輸。然后通過在氟化物光纖中摻雜Ho3+、Er3+或兩者與Pr3+共摻等輸出2.7～3μm的激光。

本文主要對國內(nèi)外3μm波段ZBLAN光纖激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。并對該波段光纖激光器的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

2 ZBLAN光纖激光器的工作原理和研究現(xiàn)狀

2.1 摻Ho3+ZBLAN光纖激光器工作原理

Ho3+在5I6→5I7間的能級(jí)躍遷會(huì)產(chǎn)生2.8μm的輸出。但通常，人們會(huì)在Ho3+中共摻入Pr3+以使5I7能級(jí)上的粒子能夠迅速衰減(ET過程)，從而保證粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和激光器的穩(wěn)定輸出。其原理如圖1所示。

圖1 Ho3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖激光器離子能級(jí)躍遷圖Fig.1 Simplified energy level diagram for Ho3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

圖1 中，基態(tài)Ho3+被1150 nm的光抽運(yùn)到5I6能級(jí)，為了實(shí)現(xiàn)該能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，既需要避免5I6能級(jí)的上能量傳遞上轉(zhuǎn)換(ETU)造成的粒子減少，又要摻入相應(yīng)的Pr3+使Ho3+的5I7能級(jí)到Pr3+的3F2能級(jí)的進(jìn)行能量傳遞，以減少5I7能級(jí)的粒子數(shù)［9］。然而3μm摻Ho3+的ZBLAN光纖激光器上能級(jí)ETU速率系數(shù)相對較高，限制了Ho3+的利用。因此，在設(shè)計(jì)光纖時(shí)既要保證Ho3+有足夠的濃度以充分吸收抽運(yùn)光，又要保證有足夠濃度的Pr3+使激光下能級(jí)5I7上的粒子數(shù)能夠通過能量傳遞(ET)而迅速減少(粒子到達(dá)3F2后經(jīng)過多聲子衰減下降到基態(tài))。但隨著摻雜濃度的提升，光纖的散射損耗也在增加。這樣，尋找到平衡點(diǎn)以滿足兩方面的需求也是重要的研究內(nèi)容。

2.2 摻Er3+ZBLAN光纖激光器工作原理

2.2.1 常規(guī)摻鉺光纖激光器

摻Ho3+ZBLAN光纖激光器雖可產(chǎn)生3μm附近的激光，但其受到抽運(yùn)光波長(1150 nm)的限制，無法使用廉價(jià)的半導(dǎo)體激光器，制約了低成本實(shí)用化發(fā)展。而以Er3+作為摻雜介質(zhì)的ZBLAN光纖激光器則可直接用790 nm或975 nm半導(dǎo)體激光器進(jìn)行抽運(yùn)。

圖2是3μm摻Er3+ZBLAN光纖激光器的Er3+能級(jí)圖，基態(tài)吸收(GSA)使Er3+激發(fā)到高能級(jí)4I11/2，同時(shí)由于激發(fā)態(tài)吸收(ESA)作用，Er3+從4I11/2能級(jí)激發(fā)到4F7/2能級(jí)。為了保證3μm激光的穩(wěn)定輸出，需要盡量降低ESA，而雙包層ZBLAN光纖中激勵(lì)密度較小，ESA作用不明顯。

圖2 摻Er3+ZBLAN光纖激光器Er3+能級(jí)圖Fig.2 Simplified energy level diagram for Er3+doped ZBLAN fiber laser

此外，在ZBLAN光纖中Er3+下能級(jí)4I13/2壽命大于上能級(jí)4I11/2壽命，要想有效獲得2.8μm波段激光輸出，須得令下能級(jí)的粒子有效轉(zhuǎn)移，保證上能級(jí)粒子有效持續(xù)地躍遷到下能級(jí)，避免激光躍遷自終止。目前采用兩種方式解決這個(gè)問題。

①提高Er3+的摻雜濃度——提高摻雜濃度使發(fā)生ETU1躍遷:(4I13/2，4I13/2)→(4I15/2，4I9/2)，此過程中，有半數(shù)的粒子弛豫到了基態(tài)，另外半數(shù)粒子轉(zhuǎn)換到了4I9/2能級(jí)，通過多聲子弛豫回到4I11/2能級(jí)，從而發(fā)射第二個(gè)光子，這樣激光自終止的問題得到解決，還提高了光光轉(zhuǎn)換效率［10］。

②Er3+/Pr3+共摻——摻Pr3+后，在ET1作用下，粒子轉(zhuǎn)移到3F4，再經(jīng)多聲子弛豫回到基態(tài)，這樣由下能級(jí)4I13/2較高壽命引起的粒子數(shù)瓶頸被突破，如圖3所示。

圖3 Er3+/Pr3+共摻ZBLAN光纖激光器離子能級(jí)圖Fig.3 Partial energy level diagram for Er3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

伴隨的，也出現(xiàn)了一定的負(fù)影響，圖3顯示ETU1有助于提高量子效率，但ET1卻在削弱阻止ETU1過程?？梢姡x子共摻相關(guān)知識(shí)也有必要進(jìn)一步深入研究。

2.2.2 高功率級(jí)聯(lián)光纖激光器

由2.2.1中原理可知，若通過ET與ETU的作用克服Er3+粒子數(shù)瓶頸限制，需在光纖中對Er3+粒子進(jìn)行高濃度摻雜或Er3+/Pr3+共摻。但隨著摻雜濃度的增加，光纖的傳輸損耗也在加大，并引起離子簇效應(yīng)。所以，為了能在較低摻雜濃度下實(shí)現(xiàn)激光器輸出效率的提高，一種“級(jí)聯(lián)”的方式被采用。

由Er3+能級(jí)模型可知:下能級(jí)的粒子可以躍遷到基態(tài)，輸出波長為1.55μm的激光，這種方式也可以用于減少下能級(jí)粒子數(shù)。如圖4所示，4I11/2→4I13/2能級(jí)間的躍遷會(huì)產(chǎn)生2.83μm的光，4I13/2→4I15/2能級(jí)間的躍遷產(chǎn)生1.55μm的光，同時(shí)構(gòu)建兩個(gè)用于實(shí)現(xiàn)1.5μm和3μm波長諧振腔，保證3μm激光的穩(wěn)定輸出，即所謂的“級(jí)聯(lián)”激光輸出。

圖4 摻Er3+ZBLAN光纖激光器Er3+能級(jí)圖Fig.4 Simplified energy level diagram of Er3+in Er3+－doped ZBLAN fiber laser

2.3 研究發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前使用摻Ho3+的光纖激光器還較少，摻Er3+則比較多，且多采用如圖5所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，只在冷卻方式方面有差異。在這種結(jié)構(gòu)中，抽運(yùn)功率都不太高。理論顯示當(dāng)抽運(yùn)功率到達(dá)一定值(50 W)后，激光功率會(huì)有一個(gè)大的提升(＞10 W)［10］。

圖5 ZBLAN光纖激光器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of ZBLAN fiber laser

圖5 中DM為分色鏡，L1為非球面鏡，L2為YAG激光鏡片，W為CaF2窗口，PM為光功率計(jì)，LD為抽運(yùn)源。圖中采用透鏡泵浦耦合，這時(shí)光纖端面的損傷閾值限制了抽運(yùn)功率的增加，目前可采用端面鍍膜等方式進(jìn)行處理。

從1988年第一臺(tái)3μm波段的光纖激光器出現(xiàn)到今年被廣泛關(guān)注，3μm波段光纖激光器的研究工作取得了長足進(jìn)步。其研究進(jìn)展如表1所示。

表1 3μm波段光纖激光器研究現(xiàn)狀Tab.1 the progress of the fiber laser operating at 3μm range

圖6中在光纖上刻寫布拉格光柵，實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定性的全光纖摻Er3+ZBLAN光纖激光輸出。圖7為悉尼Jackson小組與李劍鋒小組合作完成的實(shí)驗(yàn)裝置。

3 3μm光纖激光器研究方向

目前，3μm波段光纖激光器在高功率化、降低成本化、生產(chǎn)規(guī)?；确矫孢€有許多限制。無氧玻璃在原料提純、大尺寸制備、光纖拉制等方面的工藝仍顯不足，這也是制約所有中紅外發(fā)光稀土摻雜光纖走向?qū)嵱没淖畲笳系K。

圖6 FBG高反射作用下的全光纖摻Er3+ZBLAN激光器示意圖Fig.6 Er-doped all fiber laser configuration with a FBG high reflector

圖7 摻Er3+級(jí)聯(lián)光纖激光器實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.7 Schematic of the experimental setup of Er3+doped cascade fiber laser

另外，提高稀土離子濃度雖能提高光纖單位長度增益，但也會(huì)增加光纖的傳輸損耗或發(fā)生濃度淬滅現(xiàn)象，也制約了其發(fā)展。而“級(jí)聯(lián)”摻Er3+光纖激光器由于具有較低的摻雜濃度和纖芯溫度具有十分廣闊的研究前景。同時(shí)，摻Ho3+光纖激光器由于采用1150 nm的抽運(yùn)光，斜效率更高，也具有較好的應(yīng)用前景。

研究稀土離子共摻敏化和鈍化也是進(jìn)一步提高稀土離子發(fā)光的重要發(fā)展方向之一。一些新的離子如Dy3+的6H13/2→6H15/2能級(jí)間躍遷會(huì)產(chǎn)生2.9μm的輸出，也為新型摻雜光纖激光器提供了一個(gè)選擇。

此外，雖然當(dāng)下大多中紅外波段光纖拉曼激光器的研究波長還集中在2μm和5μm等波段。但是，相較于常規(guī)的ZBLAN光纖激光器只能在離散的波段產(chǎn)生激射，光纖拉曼激光器的波長靈活可變、結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉，已經(jīng)成為中紅外激光重要技術(shù)之一，也是光纖激光器發(fā)展的一個(gè)重要方向。2013年，Bernier［24］等已經(jīng)利用硫化物As2S3光纖獲得了3.34μm中紅外連續(xù)波拉曼光。2014年，王瑩、羅正錢［25］等人從理論上分析了采用2.75μm摻鉺ZBLAN光纖激光器作為抽運(yùn)源，ZBLAN光纖作為增益介質(zhì)得到3μm拉曼激光的可能性，但還需進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。3μm波段光纖拉曼激光器雖然目前還要受到光纖制備時(shí)純度提取和毒性等方面的制約，但不可否定其具有巨大的發(fā)展?jié)摿εc空間。

4 結(jié)論

本文從不同稀土離子摻雜角度介紹了幾種3μm波段的ZBLAN光纖激光器的工作原理、研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向。并對其今后的研究任務(wù)作了評述?？傊?μm附近波段的中紅外光纖激光器是光纖激光器的一個(gè)重要研究方向，具備很強(qiáng)的學(xué)術(shù)魅力。相信隨著技術(shù)、工藝等的發(fā)展，該方向的研究和應(yīng)用必將帶來十分可觀的價(jià)值。

［1］ M Pollnau，S D Jackson．Advances in mid infrared fiber laser，In:Mid infrared coherent sources and applications，the NATO science for peace and security programme，series B:Physics and biophysics［M］．Berlin:Springer，2008，315－346．

［2］ LUO Wei，DONG Wenfeng，YANG Huabing，et al．Development trend of high power lasers［J］．Laser＆Infraed，2013，43(8):845－852．(in Chinese)羅威，董文鋒，楊華兵，等．高功率激光器發(fā)展趨勢［J］．激光與紅外，2013，43(8):845－852．

［3］ BIAN Jintian，SUN Xiaoquan，NIE Jinsong．Experimental study on KTP OPO producing 2．6～2．8μm radiation［J］．Chnise Journal of Quantum Electronics，2008，25(2):226－229．(in Chinese)卞進(jìn)田，孫曉泉，聶勁松．2．6～2．8μm KTP OPO實(shí)驗(yàn)研究［J］．量子電子學(xué)報(bào)，2008，25(2):226－229．

［4］ ZHANG Liming，ZHOU Shouhuan，ZHAO Hong，et al．Introduction of Fe2+doped mid-infrared solid state laser［J］．Laser＆Infrared，2012，42(2):360－364．(in Chinese)張利明，周壽桓，趙鴻，等．Fe2+摻雜中紅外固體激光器技術(shù)綜述［J］．激光與紅外，2012，42(2):360－364．

［5］ LIU Zunyang，BIAN Jintian，SHAO Li，et al．Progress of mid-infrared laser technology［J］．Laser＆Infrared，2013，43(8):853－858．(in Chinese)劉尊洋，卞進(jìn)田，邵立，等．中紅外激光技術(shù)研究進(jìn)展［J］．激光與紅外，2013，43(8):853－858．

［6］ LIU Jinsheng．Development of 2．79μm Cr，Er:YSGG solid state laser［J］．Infrared and Laser Engineer，2008，37(2):217－221．(in Chinese)劉金生．2．79μm Cr，Er:YSGG固體激光器發(fā)展現(xiàn)狀［J］．紅外與激光工程，2008，37(2):217－221．

［7］ L B Shaw，B Cole，P A Thielen，et al．Fluoride glass optical fibers［M］．Glasgow:Blackie，1990．

［8］ Y D Huang，M Mortier，F(xiàn) Auzel．Stark level analysis for Er3+doped ZBLAN glass［J］．Opt，Mater．2001，17(4):501－511．

［9］ SD Jackson．Single transverse mode 2．5W holmium doped fluoride fiber operating at 2．86μm［J］．Opt，Lett．2004，29(4):334－336．

［10］J Y Allain，M Monerie，H Plignant．Erbium doped fluorozirconate single mode fiber lasing at 2．71μm［J］．Electron，Lett．，1989，25(1):28－29．

［11］SD Jackson，Terence A King，Markus Pollnau．Diode pumped 1．7W erbium 3μm fiber laser［J］．Opt．Lett．，1999，24(16):1133－1135．

［12］Xiushan Zhu，Ravi Jain．Numerical analysis and experimental results of high power Er/Pr:ZBLAN different pumping designs［J］．Appl．Opt．，2006，45(27):7118－7125．

［13］Xiushan Zhu，Ravi Jain．Compact 2W wavelength tunable Er:ZBLAN mid infrared fiber laser［J］．Opt，Lett．，2007，32(16):2381－2383．

［14］SD Jackson．High power and highly efficient diode cladding pumped holmium doped fluoride fiber laser operating at 2．94μm［J］．Opt，Lett．，2009，34(15):2327－2329．

［15］Shigeki Tokita，Masanao Murakami，Seiji Shimizu，et al．Liquid cooled 24W mid infrared Er:ZBLAN fiber laser［J］．Opt，Lett．，2009，34(20):3062－3064．

［16］Martin Bernier，Dominic Faucher，Nicolas Caron，et al．Highly stable and efficient erbium doped 2．8μm all fiber laser［J］．Opt，Express，2009，17(9):16941－16946．

［17］SD Jackson．High power erbium cascade fiber laser［J］．Electron，Lett．，2009，45(16):830－832．

［18］SD Jackson，Markus Pollnau，Jianfeng Li．Doped pumped erbium cascade fiber lasers［J］．IEEE J．Quantum Electron．，2011，47(4):471－478．

［19］Tokita S，Hirokane M，Murakami M，et al．Stable 10W Er:ZBLAN fiber laser operating at 2．71～2．88μm［J］．Opt，Lett．，2010，35(23):3943－3945．

［20］Tokita S，Murakami M，Shimizu S，et al．12W Q-switched Er:ZBLAN fiber laser at 2．8μm［J］．Opt Lett．，2011，36(5):2812－2814．

［21］Dominic Faucher，Martin Bernier，Cuillaume Androz，et al．20W passively cooled single mode all fiber laser at 2．8 μm［J］．Opt，Lett．，2011，36(7):1104－1106．

［22］HUANG Yuanfang，PENG Yuefeng，WEI Xingbin，et al．Watt range CWinfrared Er:ZBLAN fiber laser operation at 2．8μm［J］．Chinese Laser，2012，39(5):0502007－5．(in Chinese)黃園芳，彭躍峰，魏星斌，等．瓦級(jí)連續(xù)波2．8μm中紅外Er:ZBLAN光纖激光器［J］．中國激光，2012，39(5):0502007－5．

［23］SHEN Yanlong，HUANG Ke，ZHU Feng，et al．Laser diode-pumped watt-level single mode heavily erbium-doped mid-infrared fiber laser［J］．Acta Photonica Sinica，2014，43(3):0314002．(in Chinese)沈炎龍，黃珂，朱峰，等．LD泵浦瓦級(jí)單模高摻鉺中紅外光纖激光器［J］．光子學(xué)報(bào)，2014，43(3):0314002．

［24］Bernier M，F(xiàn)ortin V，Caron N，et al．Mid-infrared chalcogenide glass Raman fiber laser［J］．Opt，Lett，2013，38(2):127－129．

［25］Wang Ying，Luo Zhengqian，Xiong Fengfu，et al．Numerical optimization of 3～5μm mid-Infrared ZBLAN fiber Raman lasers［J］．Laser＆ Optoelectronics Progress，2014，51(6):061405．(in Chinese)王瑩，羅正錢，熊鳳福，等．?dāng)?shù)值優(yōu)化3～5μm中紅外ZBLAN光纖拉曼激光器的研究［J］．激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2014，51(6):061405．