中红外光纤激光技术及应用

概述：

2um-5um中红外激光有着自己独特的应用：该波段覆盖了几段大气窗口，使其可用于激光雷达、大气通信、激光测距、超高分辨率天文光谱仪标定和光电探测等[1]；中红外波段包含被称为“分子指纹”的特征谱线，可被用于高速、高分辨率、高光谱灵敏度、高信噪比的中红外光谱测量[2]；水分子在3um附近有很强的吸收峰,使其可用于很多医疗操作；位于分子共价键的吸收谱段，使其可用于分子含量的检测和分子类型的鉴定，实现分子的成像等。

目前商用的中红外激光光源包括：OPO参量振荡激光器，超连续谱光源，量子级联激光器以及光纤激光器等。

对于中红外光纤激光器而言，按着实现方式，可以把中红外光纤分为有源和无源两个方面，主要包括基于掺杂稀土的中红外激光，如掺Er³⁺、Dy³⁺的ZBLAN光纤激光；基于非线性效应的中红外激光，如拉曼激光、超连续谱激光；基于特殊波导结构的空芯光纤，配合充斥不同气体实现不同波长的中红外激光。近年来随着光纤激光技术的不断发展和成熟，围绕中红外激光技术的研究火热起来，相关实验和产品报道层出不穷，这里只讨论基于增益有源光纤的单波长中红外光纤激光器。

Er:ZBLAN光纤

Er作为稀土元素具有丰富的能级结构，粒子通过基态吸收在泵浦波长655nm、790nm和980nm处被激发到较高能级，通过辐射跃迁从⁴I13/2能级跃迁至⁴I15/2能级可以产生1.55um的发射，由⁴I11/2能级向⁴I13/2能级跃迁产生2.8um的发射，粒子从⁴F9/2能级向⁴I9/2能级跃迁能够产生3.5um发射。目前，高浓度掺杂 Er:ZBLAN光纤获得2.8um激光是相对主流方法^[4]。

氟化物光纤被用于2-3um光输出，硫化物光纤被用于3-6.5um光输出，比6.5um更长波长可以用卤化物光纤输出。氟化物光纤主要是以氟化铝(AlF₃)、ZBLAN(53%ZrF₄-20%BaF₂-4%LaF₃-3%AlF₃-20%NaF) 或氟化铟(InF₃)等为基质材料的氟化物多组分玻璃光纤。其中ZBLAN是目前比较常用的光纤，可以实现稀土掺杂，对于其与硅基光纤的熔接工艺也相对比较成熟，商用光纤熔接机即可，InF和AlF光纤可用作光纤器件(比如合束器)和光纤端帽的制作。但是易潮解是氟化物光纤主要的缺点。

2.8um中红外连续光纤激光

1988年，Brierley报道了第 一台2.7um Er³⁺掺杂光纤激光器^[5] 。

1999年，Er:ZBLAN光纤激光器的输出功率实现了瓦级的突破，Jackson等^[6]利用 Er³⁺/ Pr³⁺共掺ZBLAN光纤实现了1.7W的激光输出。

进入21世纪，随着光纤制备技术与光纤激光技术的发展，3um波段激光的功率进一步提高。其中日本京都大学、澳大利亚阿德莱德大学、加拿大拉瓦尔大学、国内的深圳大学等在实验室，都报道了非常出色的实验进展。

2015年，加拿大拉瓦尔大学Fortin等^[7]报道了输出功率为30.5W、输出波长为2938nm的掺Er³⁺氟化物光纤激光器。该系统采用了基于纤芯内刻写光纤布拉格光栅，即在ZBLAN光纤和Er:ZBLAN光纤分别刻蚀高反光栅和低反光栅，构成10m长的谐振腔，光纤尾端接有AlF3端帽以降低潮解，提高激光器稳定性，在980nm泵浦下总激光效率为16%。

2018年，加拿大拉瓦尔大学Aydin等^[8]，在整段Er:ZBLAN光纤内完成光栅刻蚀，利用双泵浦方式连续光纤激光器在2.8um处，实现了41.6W的激光输出。这是Er:ZBLAN中红外光纤激光器已知报道的最 高输出功率。

2021年，深圳大学郭春雨等^[10] 在国内首次报道了功率为20W的全光纤结构的2.8um中红外激光输出。所用的掺Er³⁺：ZrF4光纤直径为15um，数值孔径NA约为0.12，总长度为6.5m，吸收系数2-3dB/m@976nm，高反光栅(99%HR-FBG)和低反光栅(10%OC-FBG)直接刻写在增益光纤上，中心波长2825nm，与Er纤形成谐振腔。

如图所示▼ 硅基与ZBLAN光纤，以及端帽与无源纤的熔接工艺为报道者团队自主研发，制作了包层光滤除器和AlF₃光纤端帽。当泵浦功率140W，输出功率20.3W@2.8um，光光转换效率14.5%。

2023年，利用镀膜反射镜和自制高性能中红外光纤端帽提供谐振腔反馈，结合高功率泵浦光的高效耦合技术，将单端泵浦中红外光纤激光器的输出功率提升到33.8W，并获得了>30W功率水平下的最 高激光效率^[21]。

经过多年的努力，光纤激光的工作者们，极大优化了中红外光纤的处理工艺，目前利用商用的特种光纤处理设备，可以得到较低的熔接损耗，被用在中红外模场匹配器、合束器/分束器、输出端帽等多种器件，从而推出了产品级的全光纤结构中红外光源。

中红外调Q脉冲光纤激光

2020年，Sojka等^[11]采用30W的975nm激光泵浦芯径15um，7%摩尔浓度Er:ZBLAN双包层光纤，在重复频率10kHz实现光纤激光器在2.8um波长下的声光调Q输出，在 1.1m长Er:ZBLAN光纤实现脉冲能量46uJ的激光输出，脉冲的峰值功率0. 821 kW，脉宽56ns。2021年，他们采用芯径35um的Er:ZBLAN多模光纤，脉宽26ns，峰值功率12.7kW，脉冲能量330uJ^[12]。

2021年，Shen等利用电光调Q首次实现了2.8um的脉冲激光输出。采用芯径33um掺Er浓度为6%的ZBLAN光纤作为增益介质，NA0.12，电光调制器选择RTP晶体，脉宽13.1ns脉冲能量205.7uJ，峰值功率15.7kW，这是目前已知最 高峰值功率 Er:ZBLAN调Q光纤激光器的报道。

中红外锁模超快光纤激光

硅基光纤中有掺Tm光纤用于2um激光的输出，技术已经比较成熟，随着光纤和器件技术的成熟，更高的指标逐一实现。

2018年，Jena大学报道了1000W平均功率，256fs的2um超快激光，利用了大模场面积的掺Tm的光子晶体光纤，50/250-Tm-PM-PCF。这也是目前同类实验的最 高指标。

对于2um以上的波段，目前绝大多数的光纤激光器研究工作采用被动锁模技术，主要采用可饱和吸收以及非线性效应两种形式。前者以具有光学可饱和吸收特性的材料作为锁模器件，如SESAM，金属掺杂晶体如 Fe: ZnSe等，后者利用光学非线性效应等方式产生等效可饱和吸收体，如非线性偏振旋转(NPR)、非线性光学环形镜(NOLM)等。

2020年，Guo等[14]报道，利用CVD生长WSe2薄膜作为SA并转移至镀金反射镜形成 WSe2-SAM，基于此利用980nm激光泵浦6%摩尔浓度Er:ZBLAN光纤，实现脉宽21ps，重频42. 43MHz，平均功率360mW的锁模脉冲。

2022年，上海交通大学Qin等[15]利用分子束外延生长技术制备了InAs/GaSb超晶格SESAM,可灵活调整可饱和吸收体的响应范围、饱和能量密度和恢复时间等参数，实现了3.5um的Er: ZBLAN光纤激光器的稳定锁模输出，脉宽14.8ps，平均功率149mW，重复频率36.56MHz。

2019年，上海交通大学Qin等[16]采用Ge棒进行色散管理进一步将锁模脉宽缩短至215fs,脉冲能量9.3nJ，峰值功率43.3kW。

2020年，上海交通大学Gu等[17]报道了基于NPR技术实现2.8μm 的Er∶ZBLAN光纤激光器的131fs锁模输出，峰值功率22.68kW的孤子脉冲，脉冲能量3nJ。

同年，Huang等[18]利用NPR技术在980nm下泵浦3.3m长Er: ZBLAN光纤实现脉宽126fs，脉冲能量10nJ的锁模输出，Er: ZBLAN放大器和ZBLAN非线性光纤进一步压缩脉宽至15.9 fs，最 终脉冲峰值功率500kW。

2022年，Yu等[19]利用2.4m长掺杂7%摩尔浓度的Er:ZBLAN光纤制备脉宽283fs的脉冲种子光源，利用非线性放大技术，进一步将脉宽压缩到59fs，获得的脉冲平均功率高达4.13W，这是迄今为止亚百飞秒锁模光纤激光器最 高的平均输出功率。

总结

中红外光纤激光器，具有光纤激光紧凑、少维护、稳定性高、光束质量高等诸多优势，氟化物、硫化物、卤化物、空心光纤等中红外光纤，从功率、光谱、光纤器件应用等各个方面大大推动了中红外激光的发展，随着中红外材料及光纤技术的不断成熟，将会有更多高品质的中红外光纤激光产品问世，在国防、科研、工业制造、医疗等领域发挥越来越大的作用。

参考文献

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