3μm光纤激光器的研究进展

杨 伟，段云锋，王 强，张秀娟，邓明发

(北京东方锐镭科技有限公司，北京100015)

1 引言

由于3μm波段的激光被水分子强烈吸收，同时Ca、P等也对其具有很高的吸收率，所以该波段激光可被用于切割多水份的生物软组织以及骨骼，应用在激光手术中有着凝血迅速和手术创面小的优点［1］。为了得到3μm波段的激光，人们研究采用HF激光器、固体激光器、光纤激光器等多种方式。与前两者相比［2－6］，光纤激光器光束质量好，体积小、转换效率高、散热效果好，且在高功率化输出的发展中有着很好的前景，倍受人们关注。

为了获得3μm波段的光纤激光器，需要克服常规光纤中声子能量高及相应波段光传输损耗的问题。目前，最常用的是氟化物(ZBLAN)和硫化物光纤［7－8］。氟 化 物 光 纤 的 典 型 成 分 为ZrF4，BaF2，LaF3，AlF3，NaF，其物质的量的分数分别为53%，20%，4%，4%和20%，材料的声子能量为550 cm－1，因此波长在0.8～4.5μm的范围内可实现低损耗传输。然后通过在氟化物光纤中掺杂Ho3+、Er3+或两者与Pr3+共掺等输出2.7～3μm的激光。

本文主要对国内外3μm波段ZBLAN光纤激光器的研究进展进行了介绍。并对该波段光纤激光器的未来发展进行展望。

2 ZBLAN光纤激光器的工作原理和研究现状

2.1 掺Ho3+ZBLAN光纤激光器工作原理

Ho3+在5I6→5I7间的能级跃迁会产生2.8μm的输出。但通常，人们会在Ho3+中共掺入Pr3+以使5I7能级上的粒子能够迅速衰减(ET过程)，从而保证粒子数反转和激光器的稳定输出。其原理如图1所示。

图1 Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器离子能级跃迁图Fig.1 Simplified energy level diagram for Ho3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

图1 中，基态Ho3+被1150 nm的光抽运到5I6能级，为了实现该能级上的粒子数反转，既需要避免5I6能级的上能量传递上转换(ETU)造成的粒子减少，又要掺入相应的Pr3+使Ho3+的5I7能级到Pr3+的3F2能级的进行能量传递，以减少5I7能级的粒子数［9］。然而3μm掺Ho3+的ZBLAN光纤激光器上能级ETU速率系数相对较高，限制了Ho3+的利用。因此，在设计光纤时既要保证Ho3+有足够的浓度以充分吸收抽运光，又要保证有足够浓度的Pr3+使激光下能级5I7上的粒子数能够通过能量传递(ET)而迅速减少(粒子到达3F2后经过多声子衰减下降到基态)。但随着掺杂浓度的提升，光纤的散射损耗也在增加。这样，寻找到平衡点以满足两方面的需求也是重要的研究内容。

2.2 掺Er3+ZBLAN光纤激光器工作原理

2.2.1 常规掺铒光纤激光器

掺Ho3+ZBLAN光纤激光器虽可产生3μm附近的激光，但其受到抽运光波长(1150 nm)的限制，无法使用廉价的半导体激光器，制约了低成本实用化发展。而以Er3+作为掺杂介质的ZBLAN光纤激光器则可直接用790 nm或975 nm半导体激光器进行抽运。

图2是3μm掺Er3+ZBLAN光纤激光器的Er3+能级图，基态吸收(GSA)使Er3+激发到高能级4I11/2，同时由于激发态吸收(ESA)作用，Er3+从4I11/2能级激发到4F7/2能级。为了保证3μm激光的稳定输出，需要尽量降低ESA，而双包层ZBLAN光纤中激励密度较小，ESA作用不明显。

图2 掺Er3+ZBLAN光纤激光器Er3+能级图Fig.2 Simplified energy level diagram for Er3+doped ZBLAN fiber laser

此外，在ZBLAN光纤中Er3+下能级4I13/2寿命大于上能级4I11/2寿命，要想有效获得2.8μm波段激光输出，须得令下能级的粒子有效转移，保证上能级粒子有效持续地跃迁到下能级，避免激光跃迁自终止。目前采用两种方式解决这个问题。

①提高Er3+的掺杂浓度——提高掺杂浓度使发生ETU1跃迁:(4I13/2，4I13/2)→(4I15/2，4I9/2)，此过程中，有半数的粒子弛豫到了基态，另外半数粒子转换到了4I9/2能级，通过多声子弛豫回到4I11/2能级，从而发射第二个光子，这样激光自终止的问题得到解决，还提高了光光转换效率［10］。

②Er3+/Pr3+共掺——掺Pr3+后，在ET1作用下，粒子转移到3F4，再经多声子弛豫回到基态，这样由下能级4I13/2较高寿命引起的粒子数瓶颈被突破，如图3所示。

图3 Er3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器离子能级图Fig.3 Partial energy level diagram for Er3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

伴随的，也出现了一定的负影响，图3显示ETU1有助于提高量子效率，但ET1却在削弱阻止ETU1过程。可见，离子共掺相关知识也有必要进一步深入研究。

2.2.2 高功率级联光纤激光器

由2.2.1中原理可知，若通过ET与ETU的作用克服Er3+粒子数瓶颈限制，需在光纤中对Er3+粒子进行高浓度掺杂或Er3+/Pr3+共掺。但随着掺杂浓度的增加，光纤的传输损耗也在加大，并引起离子簇效应。所以，为了能在较低掺杂浓度下实现激光器输出效率的提高，一种“级联”的方式被采用。

由Er3+能级模型可知:下能级的粒子可以跃迁到基态，输出波长为1.55μm的激光，这种方式也可以用于减少下能级粒子数。如图4所示，4I11/2→4I13/2能级间的跃迁会产生2.83μm的光，4I13/2→4I15/2能级间的跃迁产生1.55μm的光，同时构建两个用于实现1.5μm和3μm波长谐振腔，保证3μm激光的稳定输出，即所谓的“级联”激光输出。

图4 掺Er3+ZBLAN光纤激光器Er3+能级图Fig.4 Simplified energy level diagram of Er3+in Er3+－doped ZBLAN fiber laser

2.3 研究发展现状

当前使用掺Ho3+的光纤激光器还较少，掺Er3+则比较多，且多采用如图5所示结构进行实验，只在冷却方式方面有差异。在这种结构中，抽运功率都不太高。理论显示当抽运功率到达一定值(50 W)后，激光功率会有一个大的提升(＞10 W)［10］。

图5 ZBLAN光纤激光器结构示意图Fig.5 Structure of ZBLAN fiber laser

图5 中DM为分色镜，L1为非球面镜，L2为YAG激光镜片，W为CaF2窗口，PM为光功率计，LD为抽运源。图中采用透镜泵浦耦合，这时光纤端面的损伤阈值限制了抽运功率的增加，目前可采用端面镀膜等方式进行处理。

从1988年第一台3μm波段的光纤激光器出现到今年被广泛关注，3μm波段光纤激光器的研究工作取得了长足进步。其研究进展如表1所示。

表1 3μm波段光纤激光器研究现状Tab.1 the progress of the fiber laser operating at 3μm range

图6中在光纤上刻写布拉格光栅，实现了高稳定性的全光纤掺Er3+ZBLAN光纤激光输出。图7为悉尼Jackson小组与李剑锋小组合作完成的实验装置。

3 3μm光纤激光器研究方向

目前，3μm波段光纤激光器在高功率化、降低成本化、生产规模化等方面还有许多限制。无氧玻璃在原料提纯、大尺寸制备、光纤拉制等方面的工艺仍显不足，这也是制约所有中红外发光稀土掺杂光纤走向实用化的最大障碍。

图6 FBG高反射作用下的全光纤掺Er3+ZBLAN激光器示意图Fig.6 Er-doped all fiber laser configuration with a FBG high reflector

图7 掺Er3+级联光纤激光器实验原理图Fig.7 Schematic of the experimental setup of Er3+doped cascade fiber laser

另外，提高稀土离子浓度虽能提高光纤单位长度增益，但也会增加光纤的传输损耗或发生浓度淬灭现象，也制约了其发展。而“级联”掺Er3+光纤激光器由于具有较低的掺杂浓度和纤芯温度具有十分广阔的研究前景。同时，掺Ho3+光纤激光器由于采用1150 nm的抽运光，斜效率更高，也具有较好的应用前景。

研究稀土离子共掺敏化和钝化也是进一步提高稀土离子发光的重要发展方向之一。一些新的离子如Dy3+的6H13/2→6H15/2能级间跃迁会产生2.9μm的输出，也为新型掺杂光纤激光器提供了一个选择。

此外，虽然当下大多中红外波段光纤拉曼激光器的研究波长还集中在2μm和5μm等波段。但是，相较于常规的ZBLAN光纤激光器只能在离散的波段产生激射，光纤拉曼激光器的波长灵活可变、结构简单且成本低廉，已经成为中红外激光重要技术之一，也是光纤激光器发展的一个重要方向。2013年，Bernier［24］等已经利用硫化物As2S3光纤获得了3.34μm中红外连续波拉曼光。2014年，王莹、罗正钱［25］等人从理论上分析了采用2.75μm掺铒ZBLAN光纤激光器作为抽运源，ZBLAN光纤作为增益介质得到3μm拉曼激光的可能性，但还需进一步实验的验证。3μm波段光纤拉曼激光器虽然目前还要受到光纤制备时纯度提取和毒性等方面的制约，但不可否定其具有巨大的发展潜力与空间。

4 结论

本文从不同稀土离子掺杂角度介绍了几种3μm波段的ZBLAN光纤激光器的工作原理、研究现状和发展方向。并对其今后的研究任务作了评述。总之，3μm附近波段的中红外光纤激光器是光纤激光器的一个重要研究方向，具备很强的学术魅力。相信随着技术、工艺等的发展，该方向的研究和应用必将带来十分可观的价值。

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