2μm波长高功率掺铥光纤激光器

孙涛 黄榜才 （中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220）

2μm波长高功率掺铥光纤激光器

孙涛 黄榜才 （中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220）

介绍了2 μm波长高功率掺铥光纤激光器的基本原理，重点分析了其国内外研究的发展现状，梳理了2 μm波长高功率掺铥光纤激光器的技术发展趋势，根据其特点分析了2 μm波长高功率掺铥光纤激光器在传感和光谱分析、医疗和材料加工等方面的应用前景。

高功率 掺铥激光器 光纤光学

0 引言

由于有源光纤激光器具有高的能效比、输出光束质量好、输出波长范围宽、体积小、重量轻等优点，近年来取得了飞速发展。但随着输出功率的进一步提高，人们越来越发现保障人眼安全问题成为光纤激光器发展的重要问题。由于掺铥光纤激光器的发射波长在2 μm附近，属于人眼安全波段范围，所以掺铥光纤近几年发展迅速，成为研究热点。

铥，为镧系稀土元素，原子序数69。光纤激光器的发射波长在2 μm附近，能够实现1.6～2.1 μm的调谐，是所有稀土离子中最宽的，其中2 μm近红外长波段对人眼安全，保护视网膜不会受到高功率激光的照射，避免引发永久伤害和失去视力，可广泛应用于激光雷达、遥感技术以及激光医学、眼睛安全的近距离遥感、军事等领域。这种波段的激光在普通石英光纤中表现出良好的传输特性（＜0.44 dB/m），而且由于铥离子特殊的能级结构，不同能级之间的交叉驰豫可突破理论的Stokes效率极限，大大提高激光器的效率，离子效率理论值可高达2，而且利用频率上转换技术（Frequency Upconvertion）产生可见光，可使近红外光泵浦的光纤成为可见荧光辐射源和激光辐射源，在光纤陀螺、光学测量诊断技术、分子生物学、医学等方面具有重要的应用价值。

1 国内外研究发展现状

由于掺铥光纤激光器具有重要的应用价值，国外在掺铥光纤激光器的研究方面发展迅速。2000年英国南安普敦大学的Nilsson J等用双包层掺铥光纤和双端抽运方式实现了斜率效率46%的14 W连续波输出，同时又用光纤选波长技术实现了激光波长1 870～2 040 nm可调谐激光输出，调谐范围内连续波功率大于5 W，采用的光纤内包层为D型、直径200 μm、纤芯直径20 μm。最近东京大学在基于单包层环形腔光纤激光器技术的基础上，将掺铥光纤的输出端磨成45°角放在输入端，与输入端光纤准直，实现了双包层环形腔11.5 W的连续波输出。德国的IPG公司生产的高功率单模掺铥双包层光纤激光器已达到150 W的连续输出，波长可调谐的范围在1 750～2 200 nm。经过短短几年，国际上双包层掺铥光纤和光纤激光器的研究飞速发展。英国南安普敦大学通讯研究室，德国汉堡技术大学，美国的Polaroid Corporation、Bell实验室，日本的NTT、Hoys以及俄罗斯的IREPolus公司均在掺稀土离子双包层光纤激光器研究中取得了许多重要成果。最近NUFERN公司研制成功业界第一款高效率掺铥双包层光纤，适合于人眼安全的2 μm波段光纤激光器和放大器应用，纤芯直径25 μm，包层直径 400 μm。

相比之下，国内高功率双包层掺铥光纤激光器的研究工作起步较晚。一是高掺杂浓度掺铥光纤的研制尚属空白。研制有源光纤目前存在的主要问题有：光纤芯部的稀土离子掺杂浓度低、均匀性差。这是限制光纤激光器性能提高的技术“瓶颈”。二是高功率掺铥光纤激光器研制技术一直没有大的突破，主要问题有：用于2 μm波长选频的光纤光栅研制技术一直没有解决，泵浦半导体激光器仍然没有实现国产化，进口产品价格居高不下。由于上述各方面原因，导致目前国内高功率掺铥光纤激光器研制进程与国际差距越拉越大，开展相关研究工作是当前一个相当迫切的工作。

2 国内外研究技术发展趋势

光纤激光器已经从一个很小的细分市场成长为主流的激光器平台，在2006年的销售额就已经超过1亿美元。最近，仅有的高功率光纤激光器技术是输出波长在1 μm附近的基于掺镱光纤的激光器，这是在过去十年间发展起来的一项技术。2 μm光纤激光器是基于掺铥二氧化硅光纤的新一代高效输出的高功率激光器。该类光纤激光器的优点在于其工作在“人眼安全”波段，同时还能采用商用化的790 nm波长的高功率二极管技术。该激光器中用到的掺铥光纤，基于电信级的二氧化硅光纤技术，并且与为1 μm激光器设计的基本器件相兼容，再加上现有的泵浦二极管技术，从而使这项技术得到了快速发展。

众所周知，铥离子在固态晶体激光器中存在交叉弛豫现象，即一个铥离子吸收一个790 nm的泵浦光子会在激光辐射的亚稳态能级产生两个激发态离子。优化这个过程可以使一个泵浦光子产生两个激光辐射光子，因此从理论上讲，其量子效率接近200%。近年来对这种现象的研究和拓展，促使790 nm泵浦掺铥光纤激光器的斜率效率从1998年的30%左右提高到了2005年的接近70%（见图1、2）。

图1 掺铥光纤中的交叉弛豫过程

图2 掺铥光纤激光器的效率逐年增加

现在千瓦级光纤激光器已经实现，该激光器是输出波长为1 080 nm的掺镱光纤激光器，但是对于应用来说这不是人眼安全的激光波长。到目前为止，掺铥光纤激光器也几乎实现了1 000 W的输出功率。2007年，Frith等人报道了110 W连续的掺铥光纤激光器，激光波长线宽为3 nm，斜率效率为55%。他们采用了低数值孔径纤芯（NA为0.06）的大模场面积双包层光纤来保证获得单模激光输出，光纤芯的直径为20 μm，包层直径为400 μm，谐振腔采用的是光纤光栅。同一年Wu等人报道了一个高功率输出的掺铥光纤激光器，他们采用20 cm长的一段光纤，利用端面泵浦的方式实现了64 W的输出功率，相对于800 nm波长的光纤功率其斜率效率为68%，采用双端泵浦结构其输出功率可以提高到104 W，但是斜率效率降低为52.5%。2007年采用1 567 nm级联泵浦、输出功率达到415 W的掺铥光纤激光器被报道，该激光器采用18个连续铒光纤激光器进行端面泵浦，使用光纤光栅构成全光纤结构，产生的光束质量小于1.1，斜率效率60%。2009年，Moulton等人使用625 μm包层直径、35 μm纤芯直径（数值孔径为0.2）的掺铥光纤，室温下实现了885 W的连续输出功率，这是目前为止单模输出功率的最高记录，斜率效率49.2%。该激光器采用了7 m增益光纤，使用793 nm光纤耦合输出的半导体激光器进行双端泵浦。所以实际上最高输出功率的掺铥光纤激光器使用的泵浦波长是800 nm左右的泵浦光源，而且该波长泵浦的光光转换效率要比1 567 nm波长泵浦方式更高。但是不管采用两种泵浦方式的哪一种，理论上都可以实现全光纤结构设计。目前能提供高功率掺铥光纤激光器产品的两个公司就分别采用了两种泵浦方式：NUFERN公司采用的是800 nm半导体激光器泵浦，而IPG公司采用的是内嵌的1 567 nm泵浦方式。

由于效率的提高，单一掺铥光纤激光器的输出功率开始达到千瓦水平。尽管目前报道的最高输出功率并没有获得完美的接近衍射极限的光束质量，但是它们仅受限于可获得的泵浦光功率，因此其在技术上显示出了产生千瓦级输出功率的潜力（见图 3、4）。

图3 掺铥光纤激光器输出功率随可获得的泵浦功率增加而增加

图4 掺铥光纤激光器输出功率逐年增加

3 高功率掺铥光纤激光器的应用

高功率掺铥光纤激光器的应用领域非常广泛，诸如金属和非金属材料的加工与处理、激光雕刻、激光产品打标、激光焊接、焊缝清理、精密打孔、激光检测和测量、激光图形艺术成像、激光医学、污染控制、激光雷达系统、传感技术和空间技术以及激光武器等，器件的产业化能极大地提高上述行业的技术水平，推动上述行业的快速发展。由此可见，高功率掺铥光纤激光器的市场巨大，对相关行业的贡献也非常明显。

激光传感和光谱分析方面，2 μm波长激光是人眼安全的波长，因为该波长会被晶状体吸收而不会达到视网膜，对眼睛的损伤阈值比短波长更高。因此人眼安全的2 μm波长激光器具有非常大的潜在市场，特别是应用在对人眼安全要求较高的自由空间光通信方面，所以这类激光器是LIDAR（光探测和距离搜索）理想的光源。LIDAR系统和RADAR非常类似，但是前者的信号反馈是由空气中悬浮的气溶胶粒子提供。

在医疗方面，很多特性使得2 μm波长高功率掺铥光纤激光器成为软组织和硬组织高精度外科手术的优良候选光源。最主要的是在水峰处的高吸收，实现了在人体内最小的渗透深度。表面中红外消除作用只引起亚微米切除，创口区的破坏很小。另外，2 μm波长激光器的凝结作用，可以减少手术时的流血。在多数情况下，激光器主要应用于高精确的组织切除手术、眼科手术和牙科手术。

在材料处理方面，2 μm激光器在材料处理特别是塑料处理方面非常具有吸引力，大多数相近的塑料材料在2 μm附近有足够强的吸收，所以可以直接进行材料处理，用吸收的能量可以进行切割、熔接和标刻，但是用标准1 μm激光器就需要采用添加剂，以提高材料对能量的吸收。这些添加剂使得处理过程更加复杂，同时对于一些医疗应用来说，添加剂是禁用的，这些激光系统必须能输出高功率的连续光，具有高质量的光束质量，并且具有高的可靠性。

4 总结

文章总结了2 μm波长高功率掺铥光纤激光器国内外的发展现状，并对其技术发展进行了分析和总结。由于该激光器具有众多优点，目前成为学术界研究的热点，极有希望发展成为下一代新型高功率光纤激光器，在国民经济和社会发展中发挥重要作用。■

[1]夏林中，杜戈果，阮双琛，等.高功率掺铥光纤激光器[J].光子学报，2008，37（6）:1089-1092.

[2]JACKSON S D，KING T A.High power diode cladding pumped Tm-doped silica fiber laser [J].Opt.Lett.，1998，23（18）:1462-1464.

[3]HAYWARD R A，CLARKSON W A，TURNER PW et al.Efficiency cladding pumped Tm2-doped silica fiber laser with high power single mode output at 2 μm[J].Electron.Lett.，2000，36（8）:711-712.

[4]JEONG Y，DUPR IEZ P，SAHU J K，et al.Power scaling of 2 μm ytterbium-sensitised thulium-doped silica fiber laser diode-pumped at 975 nm [J].Electron.Lett.，2005，41（4）:173-174.

[5]JACKSON SD，KING TA.Efficient gain switched operation of a Tm2-doped silica fiber laser[J].Quantum Electron.，1998，34（5）:779-789.

2011-11-09