2μm掺铥光纤激光研究进展及其应用

刘波波，邓泽怀

(西安电子科技大学理学院，陕西西安 710017)

光纤激光器因具有光谱特性强、热稳定性好、耦合效率高、光电转换效率高、窄线宽等优点，使其在激光领域占据了重要地位。2μm左右的激光对人眼安全，且水分子在2μm的波长附近有较强的吸收峰，因此利用该波段的激光器进行手术时止血性好。此外，2 μm波段激光器覆盖了1.88μm、1.91μm 和2.41 μm这3个分子吸收带，可用于激光雷达、遥感测控、医疗以及军事等领域［1－3］。从20世纪90年代起，随着包层抽运技术、高功率半导体激光器的发展以及新型双包层掺铥光纤的研制使输出激光功率和质量均得到较大提高，目前掺铥光纤激光器已实现了千瓦级的输出［4］。

1 工作原理与结构

光纤激光器主要由增益光纤、二色镜或光栅构成的谐振腔、以及泵浦源3部分组成，掺铥光纤激光器的增益介质为掺Tm3+光纤。图1所示为激光器F－P谐振腔结构，介质镜M1对泵浦光高透和激光高反。介质镜M2对泵浦光高反，而对激光高透。若用光纤光栅作为介质镜，将其熔接在增益光纤的两端可实现全光纤结构，并能较大程度的提高激光效率，且结构小巧、便于集成。

图1 F－P腔结构光纤激光器

Tm3+具有丰富的能级结构，如图2所示。由图中可看出，Tm3+可采用3种不同的泵浦方式。当采用图2(b)所示的泵浦方式时，由于高能级粒子具有较强的自发辐射能力，所以Tm3+光纤的掺杂浓度达到一定程度便可发生3H4，3H6－3F6，3F4的交叉弛豫过程大幅提高了量子效率［6］，故通常采用中心波长为790 nm的LD作为泵浦源。

图2 Tm3+能级跃迁图

2 掺铥光纤激光器研究进展

近年来，随着光纤器件的发展，光纤激光器也获得了长足的进步，而掺Tm3+光纤激光器以铥离子独特的优势及输出2μm波长激光的广泛应用获得更加迅猛的发展。自1998年 S.D.Jackson 与 T.A.King首次报道高功率双包层掺 Tm3+石英光纤激光器［7］以来，2 μm光纤激光器得到了迅速的发展［8－11］，迄今为止掺铥光纤激光器的发展主要集中在高功率方面。

2.1 国外发展现状

国际上2.0μm波段掺铥光纤激光器的研究和应用进展迅速。2009年，美国Gregory D.Goodno等人通过4级放大的手段得到了600 W单频掺铥光纤激光器［12］，其具有相位噪声低和光束质量好的特点，输出波长为2 040 nm，其实验装置如图3所示，由一个种子光源，3级放大组件，以及后面的双端泵浦掺铥光纤激光器组成，790 nm的泵浦光通过透镜耦合系统进入增益光纤内包层。

图3 四级放大掺铥光纤激光器实验装置图

2010年美国Nufern公司在西部光子学会上报道了输出功率1 kW的掺铥连续光纤激光器［13］，该激光器通过二级放大实现高功率输出，实验装置如图4所示，一级放大和二级放大均用6个LD泵浦源经过合束器对掺铥光纤进行泵浦。

图4 Nufern公司千瓦级掺铥光纤激光器实验装置图

2011 年 Philipp Hübner，Christelle Kieleck 等人通过主动锁模的方式获得了高功率的亚纳秒量级的掺铥光纤激光器［14］。当其重复频率为37.88 MHz时，产生激光脉宽为38 ps，单脉冲能量达314 nJ。其实验装置如图5所示，增益介质是2.6 m长的掺铥光纤，用两个LD对掺铥光纤进行双端泵浦，且在左端加入一个高反镜，并在其后置一个声光调制器，对产生的激光进行锁模，而将产生的激光从右侧输出。

图5 亚纳秒量级掺铥光纤激光器

2012年 Michael Eckerle，Christelle Kieleck等人通过调Q锁模在重复频率60 kHz时获得了单脉冲能量8 μJ，峰值功率 2.4 kW 的掺铥光纤激光器［15］。其实验装置如图6所示，用两个LD对掺铥光纤进行双端泵浦，增益光纤最左端放一高反镜，高反镜后放一声光调制器进行锁模，其后放置标准具，标准具后放置声光Q开光对产生的激光进行调Q。

图6 调Q锁模掺铥光纤激光器

2.2 国内发展现状

2008年张云军等人用中心波长为792 nm的LD对82 cm长的掺铥光纤进行泵浦，获得了2.4 W线宽为50 pm、波长1 936.4 nm 连续激光输出［16］。实验装置如图7所示，其前腔镜为一二色镜，对泵浦光高透，产生激光高反，用一低反射率的FBG作为输出镜。其具有线宽窄、连续输出稳定等优点。

图7 哈尔滨工业大学窄线宽掺铥光纤激光器结构示意图

2010年唐宇龙，许琳等人通过使用声光开关获得线宽25 nm，输出激光波长为2 020 nm的掺铥脉冲光纤激光器［17］。所使用的掺铥光纤长度为6 m，激光器的斜率效率可达到52%。其脉冲重复频率从500 Hz～50 kHz可调谐，其最大单脉冲能量超过10 mJ，最大峰值功率为138 kW，激光器M2=1.01。

同年林可枫和张广等人通过使用40 cm长的新型双包层掺钕钨亚碲酸盐光纤获得了1.12 W的2μm连续激光［18］。实验装置如图8所示，其实验采用中心波长为800 nm的激光器进行端面泵浦，并用光纤介质镜作为前腔镜垂直，增益介质末端垂直切割，用其4%的菲涅尔反射作为输出镜。

图8 上海光机所掺钕钨亚锑酸盐光纤激光器实验装置图

2011年刘江等人将石墨烯作为可饱和吸收体，研制出2.0μm石墨烯被动调Q掺铥全光纤激光器［19］。当抽运功率为1.3 W时，得到稳定的重复频率为44 kHz的调 Q激光脉冲输出，平均输出功率约为2.9 mW脉冲宽度为3.0 μs。

2012年，北京工业大学刘江等人采用二级放大结构实现了20 W全光纤结构掺铥皮秒脉冲激光输出［20］。实验装置如图9所示，该掺铥皮秒脉冲光纤激光器由种子源和两级掺铥光纤放大器组成。掺铥光纤主放大级主要包括隔离器、多模半导体激光器、(6+1)×1的多模抽运合束器和掺铥双包层光纤等组成。其最大平均输出功率为20.7 W，激光斜率效率为42%，可获得最大峰值功率为11.2 kW。

图9 北京工业大学掺铥全光纤皮秒脉冲激光器

3 掺铥光纤激光器的应用

掺铥光纤激光器与传统2.0μm固体激光器相比具有体积小、易集成、携带方便及效率高等优点，又因2.0 μm 波 段 激 光 覆 盖 了 1.88 μm、1.91 μm 和2.41μm的3个重要分子吸收带，所以应用广泛。水分子在2.0μm有较强的吸收峰，将掺铥光纤激光器作为激光手术刀具有良好的止血性。由此同时2.0μm波段的激光是人眼安全波段，且覆盖大气通信窗口，所以其可应用在激光雷达、遥感探测等领域。此外，该激光通过光参量振荡可产生3～5μm，8～12μm中红外波段，因此其可作为产生中红外激光的光源。

4 总结与展望

近年来掺铥光纤激光器的研究主要集中在锁模、调Q及短脉冲激光器等方面，以期获得更高的峰值功率、更窄的脉冲激光输出。如何获得高功率的掺铥光纤激光器是近年来的研究热点。随着光纤器件的发展，例如FBG、光纤声光调制器以及新型材料石墨烯的发展使掺铥光纤激光器在短脉冲方面也有了长足进步。在连续激光器方面，因泵浦源功率的限制，以及光纤熔接耦合匹配问题和散热问题，功率只能达到百瓦量级。所以人们希望在连续激光器上有更大的提升，为了获得更高功率的连续激光器主要方法是通过提高泵浦源的功率以及二级放大等。随着新型掺铥光纤的研制以及激光技术的发展，能够相信高功率掺铥光纤激光器的产品化将指日可待。

［1］姚建铨，徐德刚.全固态激光及非线性光学频率变换技术［M］.北京:科学出版社，2007.

［2］赵尚弘，占生宝.高功率光纤激光技术［M］.北京:科学出版社，2010.

［3］黎大军，杜戈果.掺铥光纤激光器研究进展［J］.激光技术，2007(5):540－543.

［4］EHRENREICH T，LEVEILLER R，MAJID I，et al.1kW，allglass Tm:fiber laser［C］.Proceeding of SPIE，2010，7580:16.

［5］PETERKA P，FAURQ B.Theoretical n odelling of S2 band thumlium 2doped silica fiber amplifers［J］.Optical and Quantum Electronics，2004(3):201 －212.

［6］SMART R G，CARTER J N，TROPPER A C，et al.Continuous－wave oscillation of Tm －doped fluorozirconate fibre laser at around 1.47m，1.9 and 2.3 when pumped at 790nm［J］.Opt.Communication，1991(82):563 － 570.

［7］JACKSON SD，KING T A.High－power diode－claddingpumped Tm － doped silica fiber laser［J］.Opt.Letter，1998，23(18):1462－1464.

［8］JIANG S，WU J，ZH YAO，et al.104 W highly efficient thulium doped germanate glass fiber laser［M］.USA:Adv.Solid －State Photon，2007.

［9］SLOBODTCHIKOV E，MOULTON PF.Efficient，high － power，Tm － doped silica fiber laser［M］.USA:Adv.Solid －State Photon，2007.

［10］GOODNO G D，BOOK L D，ROTHENBERG J E.600 － W，single－mode，single－frequency thulium fiber laser amplifier［M］.MA USA:Proc.SPIE，2009.

［11］MOULTON P F，RINESG A，SLOBODTCHIKOV E V，et al.Tm－doped fiber lasers:fundamentals and power scaling［J］.IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron，2009，15(1):85 －92.

［12］GOODNO G D，BOOK L D，ROTHENBERG JE.Low －phase－noise，single－frequency，single－mode 608W thulium fiber anplifer［J］.Opt.Letter，2009，34(8):1204 －1206.

［13］PHILIPP HÜBNER，CHRISTELLE，KIELECK，et al.High －power actively mode－locked sub－nanosecond Tm3+－doped silica fiber laser［J］.Opt.Letter，2011，36(13):2483 －2485.

［15］MICHAEL E，CHRISTELLE K，JACEK W，et al.Actively q －switched and mode－locked Tm3_－dopedsilicate 2μm fiber laser for supercontinuum generation in fluoride fiber［J］.Opt.Letter，2012，37(4):512 －514.

［16］ZHANG Yunjun，YAO Baoquan，JU Youlun，et al.LD － cladding－pumped 50 pm linewidth Tm3+－doped silica fiber laser［J］.Opt.Letter，2008，35(16):7715 －7719.

［17］TANG Yulong，XU Lin，YI Yang，et al.High － power gain －switched Tm3+－ doped fiber laser［J］.Opt.Express，2010，18(22):22964－22972.

［18］LI Kefeng，ZHANG Guang，HU Lili.Watt－ level 2 μm laser output in Tm3t－doped tungsten－tellurite glass doublecladding fiber［J］.Opt.Letter，35(24):4136 －4138.

［19］刘江，王璞.2.0μm石墨烯被动调Q掺铥全光纤激光器［J］.中国激光，1994，46(4):1026 －1030.

［20］刘江，王潜，王璞.20W全光纤结构掺铥皮秒脉冲光纤激光器［J］.中国激光，2012(6):209.