直接产生可见光的激光器研究进展

徐 斌，张 腾，邹金海，罗正钱

(厦门大学电子科学与技术学院，福建 厦门 361005)

可见光波长范围大致为400～780 nm，该波长范围可以直接被人眼看到，故而得名.可见光激光在显示、通讯、生物医学、光学传感、光谱学、高端制造等领域具有重大应用需求，因而成为重要的学术研究方向.从实现可见光的技术手段来看，半导体、固体和光纤激光器都能提供可见光激光.然而，半导体激光器输出光束质量差、激光线宽大，并且难以实现脉冲激光输出，不在本文讨论范围.基于非线性频率变换技术(倍频、和频)的可见光激光器，由于系统结构的复杂性，导致系统的稳定性差、效率低，而且基于倍频与和频技术的可见光激光器已经在过去的20多年得到了广泛的研究，大量的可见光激光器研究学术成果相继报道，因而本文也没有涉及非线性频率变换可见光激光器.

固体和光纤激光器的发展在很大程度上依赖于泵浦源和稀土掺杂激光增益介质的发展.在蓝光半导体激光器出现前，上转换方法是直接产生可见光激光的主要途径，为了有效地获得上转换可见光激光，需要借助于适当的敏化稀土离子进行能量传递，从泵浦光到可见光的转化效率仍然不高.随着蓝光半导体激光的不断成熟，基于蓝光半导体激光器泵浦的直接下转换可见光激光得到了越来越多的关注.例如，掺Pr激光材料涵盖了蓝光、橙光、红光和深红光等丰富的可见光波段跃迁(Pr:Li F4(简称：Pr:YLF)能级结构、吸收和发射光谱如图1所示)，且部分掺Pr激光材料具有优异的光谱特性(如较大的受激发射截面)和较长的荧光寿命，因而成为直接下转换产生可见光激光的主要材料，这种直接下转换具有效率高、结构紧凑、稳定性好的优势.

图1 Pr:YLF晶体的能级结构(a)、偏振吸收(b)和偏振发射(c)光谱

本文对上转换和下转换方法直接产生可见光激光的相关研究进行了综述，介绍的内容包括基于全固态和光纤的可见光高功率连续波激光器、可见光调Q脉冲激光和可见光锁模脉冲激光器.其中，掺Pr可见光激光器的发展最快，取得的成果最多，厦门大学电子工程系光电子技术研究所较早在国际上开展掺Pr可见光激光器研究，也是国内最早在掺Pr可见光激光器领域取得科研成果的团队[1].本文以掺Pr可见光激光器的介绍为主线，并穿插介绍了其他稀土材料的可见光激光器，如Dy3+和Tb3+可见光激光器，介绍当前直接产生可见光激光的研究现状.

1 可见光高功率连续波激光器

可见光连续波激光器正朝着高功率、高效率和新波长等方向发展.高功率完全依赖于高功率的泵浦源，而高效率对泵浦光的光束质量、激光材料的质量和性能以及泵浦和激光光斑模式的重叠效率等因素都提出了更高的要求，新波长则取决于新型激光材料的研制和激光镀膜.

1.1 可见光全固态高功率连续波激光器

2004年，德国汉堡大学Huber团队在国际上首次报道了蓝光半导体激光器泵浦掺Pr材料的可见光激光器，虽然蓝光泵浦功率仅25 mW，输出的639.7 nm红光功率仅1.8 mW，斜效率24%[2]，但这一开拓性成果的意义是显著的.它标志着可见光激光也可以通过直接下转换方法获得，无需借助于非线性倍频、和频以及上转换等低效的方法来产生，蓝光半导体泵浦源和掺Pr激光材料的出现为紧凑、高效、稳定的可见光激光光源的产生提供了新途径，成为可见光研究的一个崭新的重要方向.然而，在随后的几年中，由于蓝光半导体激光器的泵浦功率仍然很低，而且输出光束质量差，因此研究人员仍然在试图寻找替代半导体激光的蓝光泵浦源.美国相干公司采用光泵浦半导体激光器(OPSL)技术，研制出高功率、高效率的蓝光OPSL，随后OPSL立即成为一种重要的泵浦源.例如，Ostroumov等[3]利用运转在479 nm的10 W蓝光OPSL抽运Pr:YLF晶体，获得了4.3 W绿光激光输出，斜效率达到45%.Huber团队[4]用5 W的OPSL作为泵浦源，在多个可见光波段获得高功率激光输出，其中523 nm绿光功率为2.9 W，斜效率高达72%；546 nm绿光功率为2.0 W，斜效率为60%；604 nm橙光功率为1.5 W，斜效率为44%；607 nm橙光功率为1.8 W，斜效率为48%；640 nm红光功率为2.8 W，斜效率为68%；698 nm深红光功率为1.5 W，斜效率为50%；720 nm深红光功率为1.0 W，斜效率为53%.OPSL泵浦源让人们看到了掺Pr可见光激光器的潜力，然而OPSL本身研制技术难度大、尺寸大、价格高等不利条件，使得OPSL泵浦源未能得到普及，仅有与相干公司合作的少数研究机构有相关研究.在这种情况下，2011年，本课题组与法国卡昂大学Richard Moncorge教授团队合作，研发了基于非线性倍频技术的469 nm蓝光激光器，并用作泵浦源，从多个掺Pr激光晶体中获得了可见光激光输出，这是国内科研团队首次关于掺Pr可见光激光器的报道[1].

随着蓝光半导体激光器的不断发展，其功率水平逐渐提高.利用高功率蓝光半导体激光作为泵浦源，不断突破掺Pr可见光激光器输出功率的上限，成为研究的焦点之一.表1给出了蓝光激光泵浦掺Pr连续波可见光激光器的代表性成果，掺Pr可见光激光器的真正发展仍然依赖于蓝光半导体激光器输出功率的提升.2016年，本课题组利用8 W的InGaN半导体激光器作为泵浦源，在吸收功率不足4 W的情况下，从Pr:YLF晶体中获得了高性能连续波可见光激光输出，其中523 nm绿光功率1.7 W，斜效率49%；604 nm橙光功率0.6 W，斜效率为33%；607 nm橙光功率1.1 W，斜效率为40%；639 nm红光功率2.3 W，斜效率为57%；698 nm深红光功率1.3 W，斜效率36%；721 nm深红光功率1.0 W，斜效率42%(图2)，这代表了蓝光半导体激光器泵浦掺Pr可见光连续波激光器的高水平成果[5]，表明蓝光半导体激光器是一种高效的掺Pr可见光激光器泵浦源.2年后，日本千叶大学Kannari团队[6]利用4台功率均为5 W的蓝光半导体激光器泵浦Pr:YLF晶体，在吸收功率15 W的情况下，将部分可见光激光器的功率水平提升到新的高度，获得了6.7 W红光和3.7 W橙光激光.可见，高功率蓝光泵浦源是产生高功率可见光的前提条件，随着国际上百瓦级蓝光半导体激光器的商业化普及，或许在不久的将来，通过进一步优化激光晶体质量和参数，配合优化激光泵浦源和泵浦耦合系统，以及优化激光谐振腔，高功率掺Pr可见光激光器能够取得更大突破.这种高功率、高效率、超紧凑的可见光激光器有望发挥重要应用价值；更重要地，通过腔内倍频，在高基波功率密度下，实现高功率高效率的紫外激光输出，取代现有的需要通过3次、4次这种相对低效的高次谐波方案实现紫外激光，掺Pr倍频紫外激光器具有一定的优势.

表1 蓝光泵浦掺Pr连续波可见光激光代表性成果

图2 连续波高功率Pr:YLF激光器的装置示意图(a)、输出功率特性(b)和激光波长(c)

从图1可见，掺Pr激光材料不具有黄光波段的直接下转换发射，而黄光激光具有其他可见光激光无法替代的诸多用途.现有的黄光激光主要通过掺Nd材料产生的激光经和频或拉曼效应后再倍频的方案实现，这两种方案太繁琐，导致激光系统复杂，黄光效率不高.因此，研究人员试图从其他稀土掺杂激光材料中直接产生黄光激光.Bolognesi等[7]在国际上首次报道了InGaN蓝光半导体激光器泵浦的Dy3+掺杂的连续波黄光激光器，输出功率为55 mW，效率13.4%.近期，日本国立聚变科学研究所从Tb:YLF晶体中获得了106 mW黄光激光，但是泵浦源仍然是OPSL，而不是紧凑的半导体激光器[8].可见，当前固体黄光激光的研究水平仍然很低，黄光激光研究的突破主要有赖于激光材料和泵浦源的发展.

1.2 可见光光纤高功率连续波激光器

与固体激光器一样，可见光光纤激光器领域研究的一个重要波段仍然是红光.为了获得高功率红光输出，大芯径光纤是一个重要的选择.2002年，Zellmer等[9]直接选用大芯径(D=35 μm)大数值孔径的Pr/Yb:ZBLAN光纤作为增益介质，光束整形后的850 nm LD作为泵浦源，直接获得了2 060 mW的上转换635 nm 红光激光输出，红光激射的效率为45%，是目前获得的最大功率的红光光纤激光器.随着蓝光半导体激光器输出功率的不断提升，可见光直接发射型激光器的研究也转向下转换泵浦阶段.日本的Nakanishi等[10]采用直接镀膜减少谐振腔损耗，并通过增加芯径来增加耦合进光纤中的泵浦光功率，获得了645.7 mW的红光激光.当前比较突出的问题是，高功率连续光纤激光器在其他可见光波段的输出功率依旧处于一个较低水平，几乎未有进展.针对这一问题，本课题组首次提出并展示了一个紧凑的瓦级高功率黄光光纤激光器.首先，为了获得高效率的发射和高功率的输出，详细全面地研究了黄光光纤激光器的输出耦合和增益光纤长度对黄光激光性能的影响；随后，根据优化后的结果，设计并演示了一种由450 nm 半导体激光器、1.8 m掺Dy:ZBLAN光纤以及光纤端面镀膜镜组成的小型化的黄光光纤激光器；该激光器可直接产生中心波长为575 nm的黄光激光，输出功率达到1.12 W，效率为33.6%，如图3所示.这一功率水平比之前报道的提高了1～2个数量级，是黄光光纤激光器迄今为止获得的最大输出功率.

图3 高功率黄光光纤激光器的实验装置图(a)、输出功率特性(b)和光谱(c)

2 可见光调Q脉冲激光器

调Q运转是一种获得脉冲激光的常见技术，包含主动调Q和被动调Q两种方式.主动调Q需要在激光腔内使用电光或声光调制器对信号光进行调制，系统成本和复杂性较大.被动调Q激光具有谐振腔结构紧凑和低成本的优势，因而成为学术研究的主要方向.可饱和吸收体是被动调Q运转的核心元件，可饱和吸收体主要有过渡金属掺杂的晶体材料(传统吸收体)和纳米材料(新型吸收体)，以下综述内容涉及这两种可饱和吸收体的被动调Q可见光激光.

2.1 可见光全固态调Q脉冲激光器

在当前尚无可见光波段商业化的半导体可饱和吸收镜(SESAM)的情况下，纳米材料成为可见光脉冲激光研究所需的可饱和吸收体的重要来源.本课题组在国际上最早开展了相关的研究，2016年，将二维纳米材料WS2用作可见光波段可饱和吸收体，用于掺Pr激光器的被动调Q研究，获得了21.5 mW的红光脉冲激光，脉冲宽度为630 ns，这是首次将二维材料用于可见光波段的被动调Q研究[11]，展示了二维材料作为宽带可饱和吸收体的潜力；此后，一些重要的纳米材料相继被用于可见光脉冲激光的研究，例如采用拓扑绝缘体Bi2Se3吸收体，在604 nm橙光处获得了26 mW被动调Q激光，脉冲宽度为802 ns，脉冲能量为0.2 μJ[12]；某些量子点纳米材料在可见光波段也具有可饱和吸收的特性，本课题组联合中国科学院上海光学精密机械研究所张龙研究员团队[13-14]开发了新型的CdTe/CdS量子点可饱和吸收体，在721，640，607[13]和522 nm[14]这4个可见光波段都实现了掺Pr激光器的调Q脉冲运转.

研究调Q脉冲激光的一个重要原因是为了获得大的脉冲能量和高的峰值功率，纳米材料破坏阈值低，难以实现高性能的被动调Q激光运转.实现高性能调Q激光有必要进一步提升输出激光的功率水平和压窄脉冲宽度，传统的过渡金属掺杂晶体材料吸收体易于获得大的调制深度，且具有较高的破坏阈值，因此更能满足这方面的要求.白俄罗斯国立技术大学的Demesh等[15]最先报道了Co2+吸收体被动调Q的掺Pr可见光激光器，他们采用Co2+:MALO晶体作可饱和吸收体，该晶体具有从绿光到红光波段的吸收，研究人员获得了0.43 W绿光、0.94 W橙光和1.4 W红光脉冲激光，对应的脉冲宽度和能量分别为(205 ns、3.5 μJ)、(87 ns、8.6 μJ)和(103 ns、8.1 μJ)，该研究展现了Co2+吸收体在可见光脉冲激光的产生中的优势和潜力.2019年，本课题组[16]用Co2+:ASL晶体作为吸收体，构建了V型激光谐振腔，在639 nm红光处获得了脉冲涡旋激光输出，最短脉冲宽度为149 ns；通过调节泵浦光的轴向位移，最高阶涡旋光的轨道角动量数达到12，是当前可见光涡旋光的最高阶报道(图4).同样用Co2+:ASL晶体吸收体，本课题组[17]还在橙光处首次获得了正交偏振双波长脉冲涡旋激光输出.接下来，本课题组希望通过进一步优化Co2+吸收体和激光器系统，在获得更高功率激光输出的同时，进一步压窄调Q激光脉宽，从而提升脉冲激光的峰值功率.

(e)、(f)和(k)中数值为涡旋的阶次.

2.2 可见光光纤调Q脉冲激光器

纳米材料可饱和吸收体在光纤脉冲激光器的研究中尤其突出，在可见光波段，一系列纳米材料可饱和吸收体被广泛应用于光纤调Q脉冲激光器研究[18].表2总结了基于纳米材料可饱和吸收体可见光被动调Q光纤激光器的研究成果.图5中展示了可见光波段被动调Q光纤激光器的典型实验装置和调Q脉冲激光的输出特性.

表2 可见光波段被动调Q光纤激光器总结

(a)WS2红光调Q光纤激光器的照片和装置示意图；(b)不同泵浦功率下红光调Q光纤激光器的脉冲序列；(c)橙光调Q光纤激光器的输出光谱；(d)红光调Q光纤激光器的输出光谱(插图：对数坐标光谱)；(e)碳纳米管可饱和吸收体深红光调Q光纤激光器光谱(插图：连续光和调Q激光光谱).

2010年，本课题组首先将石墨烯应用于掺Er光纤激光器中实现了调Q脉冲产生[33]，证明了石墨烯作为新型可饱和吸收体的潜力，使得运转于近红外波段的石墨烯调Q脉冲光纤激光器迅速发展.除此之外，经过对石墨烯可饱和吸收体的不断研究扩展，运转于可见光波段的石墨烯被动调Q光纤激光器近年来也取得不断的突破和发展[19-21].国际上，基于石墨烯可饱和吸收体，日本学者Fujimoto等[19]在掺Pr氟化物玻璃光纤激光器中成功获得了603 nm橙光调Q脉冲激光，其脉冲宽度和重复频率分别为0.47 μs和383 kHz.Kajikawa等[21]依靠石墨烯可饱和吸收体，首次在双包层掺Pr氟化物光纤激光器中成功实现了636 nm红光调Q脉冲激光产生.该激光器的脉冲能量高达280 nJ，是目前在可见光波段被动调Q光纤激光器中获得的最大脉冲能量.国内方面，本课题组在基于纳米材料吸收体的被动调Q可见光光纤激光器的研究中也取得了一系列的进展.本课题组[20]首次利用氧化石墨烯作为可饱和吸收体，在掺Pr:ZBLAN光纤激光器中获得了635 nm红光的调Q脉冲运转，随着泵浦功率的增加，调Q脉冲宽度由0.55 μs增至1.04 μs.除了石墨烯可饱和吸收体，基于拓扑绝缘体可饱和吸收体的可见光调Q光纤激光器近年来也得到了发展[22-23].2015年，本课题组[22]利用拓扑绝缘体(Bi2Se3，Bi2Te3)作为可饱和吸收体，在Pr:ZBLAN光纤激光器中成功获得了635 nm红光被动调Q脉冲，调Q脉冲具有164.5～454.5 kHz可调的脉冲重复频率，使用Bi2Se3和Bi2Te3吸收体获得的最短脉冲宽度分别为244和327 ns.随后，本课题组[23]利用Bi2Se3在Pr:ZBLAN光纤激光器中成功实现了604 nm橙光被动调Q脉冲输出，极大地丰富了拓扑绝缘体调Q脉冲激光器的运转波长.

过渡金属硫化物在可见光区域有着较强的可饱和吸收，因此可以被用作可饱和吸收体产生可见光脉冲[24-26].2016年，本课题组用包括WS2、MoS2、MoSe2等在内的3种过渡金属硫化物首次作为可饱和吸收体，在掺Pr全光纤激光器中均成功实现了红光调Q脉冲产生.该调Q激光器的中心波长位于635 nm，并有着脉宽约为200 ns的稳定脉冲序列，脉冲能量为28.7 nJ，重复频率覆盖232.7～512.8 kHz.除红光外，也成功研制了中心波长位于604 nm的橙光被动调Q光纤激光器[24].与此同时，单层黑磷也被证实了在可见光区域拥有可饱和吸收效应，为可见光波段黑磷被动调Q激光器的产生奠定了基础.2017年，本课题组将黑磷可饱和吸收体用于掺Pr:ZBLAN光纤激光器中，成功产生了635 nm红光调Q脉冲[27].该激光器的中心波长为635 nm，重复频率从108.8～409.8 kHz内可调且其最窄的脉冲宽度为383 ns.该结果首次实验证明了黑磷作为可见光激光器可饱和吸收体的可行性.

在可见光波段，除了上面介绍的几种低维纳米材料外，单壁碳纳米管通过改变管径，也可被用作可见光波段光纤激光器中的可饱和吸收体.2017年，本课题组使用单壁碳纳米管作为可饱和吸收体在Pr:ZBLAN 光纤激光器中产生了716 nm深红光调Q脉冲[28].随着泵浦功率的增加，深红光脉冲有32.6～86.5 kHz的可调重复频率，最大平均输出功率为1.5 mW，对应18.3 nJ的最高单脉冲能量.近些年，贵金属纳米材料由于其在可见光波段具备较强非线性可饱和吸收，已被广泛用于在光纤激光器中产生可见光脉冲运转.2015年，本课题组[30]首次成功实现了基于金纳米粒可饱和吸收体的635 nm红光调Q脉冲激光器.类似于金纳米粒，在可见光波段，铜纳米线一样具备可饱和吸收效应.2016年，本课题组[31]又首次将铜纳米线作为可饱和吸收体用于Pr:ZBLAN光纤激光器中，成功实现中心波长635 nm的调Q脉冲激光.除了上述提到的这些成果，近期越来越多的研究者开始关注可见光光纤脉冲激光器中的高阶模式运转或涡旋光束振荡.2019年，课题组[32]通过错位熔接结合Au NRs可饱和吸收体，在全光纤可见光激光器中成功获得了绿光/红光调Q涡旋激光振荡(图6).该调Q光纤涡旋激光器的成功实现，为可见光高阶模或涡旋脉冲激光器的产生提供了新模式.

(a)绿光调Q涡旋激光器的照片；(b)绿光调Q涡旋激光器的输出光谱；(c)绿光调Q涡旋激光器的输出功率；(d)调Q绿光基模及高阶模的近场强度分布((i)LP01，(ii)LP02，(iii)LP11及(iv)LP21 模)；(e)红光调Q涡旋激光器的输出光谱；(f)红光调Q涡旋激光器的输出功率；(g)红光调Q涡旋光束的CCD图像((i)和(ii)为轨道角动量±1阶模的光强度分布，(iii)和(iv)为对应的螺旋干涉图).

3 可见光锁模脉冲激光器

当前商用的超快激光主要运行在1 μm近红外波段，采用掺Nd和掺Yb固体和光纤激光技术实现，为了获得可见光超快激光，需要借助倍频手段.钛宝石超快激光可以进一步延伸到更短波长(约780 nm)，但钛宝石超快激光技术和工艺复杂、不紧凑，且目前主要被几家国外公司垄断.为了获得更短波长的可见光超快激光，通过掺Pr和掺Dy等激光材料结合锁模技术直接实现，无疑在系统的紧凑性和技术成本上具有优势.短波长的超快激光在超快光谱、传感探测、微纳加工等领域具有前所未有的新应用，研究价值和意义巨大.当前，可见光超快激光的发展仍受到制约，发展严重滞后.

3.1 可见光全固态锁模脉冲激光器

最早直接实现可见光锁模激光的研究要追溯到1996年，英国帝国理工学院的Sutherland等[34]用克尔透镜锁模技术，首次实现了掺Pr晶体的超快激光输出，激光波长为613 nm，脉冲宽度达到400 fs，这一成果仍然是目前为止脉冲宽度最宽的掺Pr可见光锁模激光器.然而，该研究采用的是庞大笨重的氩离子激光器作为泵浦源，且无法实现自启动；更加不利的是，由于克尔透镜锁模要求激光谐振腔在临界稳定区间运转，该研究中泵浦功率受限，因此锁模激光仅能稳定运转几分钟.在随后的近20年中，直接产生的可见光超快激光几乎毫无进展.2014年，瑞士纳沙泰尔大学和德国汉堡大学合作，采用尚未商业化的SESAM对Pr:YLF晶体进行被动锁模运转，成功地在639 nm红光处实现了18 ps的超快激光[35].作为超快激光产生的核心和关键元件，SESAM这种经过商业化验证的可饱和吸收体的使用，为掺Pr乃至掺Dy等潜在可见光超快激光的研究带来了一丝曙光.然而，至今仍然没有可见光波段的SESAM商业产品，在这种情况下，研究人员又再次将目光转移到纳米材料可饱和吸收体以及(基于克尔透镜效应的)自锁模这两种产生超快激光的手段上.

2016年，山东大学Zhang等[36]利用平凹镜短腔搭建了掺Pr自锁模激光器，其在639 nm红光处的脉冲宽度为53 ps，输出功率为612 mW.而且，由于激光谐振腔长度很短，所以该研究获得了很高的脉冲重复率，达到3.03 GHz，相较于常见的重复频率在100 MHz的长腔锁模激光器，这种短腔高重复频率锁模激光在通信、高信噪比测量、光子开关等领域具有较高的应用价值.随后，本课题组[37]实现了六镜长腔自锁模掺Pr激光器的激光输出，进一步将639 nm红光的自锁模功率提高到1.44 W，绿光输出功率也达到了0.68 W.同年，山东大学Zhang等[38]利用MoS2作为可饱和吸收体，实现了掺Pr可见光激光器的被动锁模，639 nm红光脉冲宽度为55 ps，522 nm绿光为46 ps.石墨烯是最早被应用到脉冲激光产生的二维纳米材料之一，其宽带可饱和特性在先前的实验研究中已经得到了广泛的验证，但基于石墨烯吸收体的超快激光波长主要集中在近红外波段，在可见光波段几乎没有任何进展.为了将石墨烯这种二维纳米材料应用于可见光波段，本课题组联合厦门大学物理系制备了高质量的化学气相沉积石墨烯，研制了高性能的石墨烯锁模器件，并用于721 nm掺Pr深红激光器的超快激光研究中，获得了73.4 ps的锁模脉冲激光[39].在此研究基础上，本课题组[39]通过谐振腔像散的方法，首次实现了可见光超快涡旋激光输出(图7)，这为超快涡旋激光的直接产生提供了新途径.近期，为了获得更高重复频率和更高阶轨道角动量数的可见光超快涡旋激光，本课题组[40]设计了一个更加紧凑的锁模谐振腔，腔长仅为18 mm，通过减少泵浦光斑尺寸并优化谐振腔模式尺寸，微调节掺Pr激光晶体的俯仰以抑制干涉，获得了5.9 GHz的高重复频率639 nm红光超快激光，脉冲宽度为44.9 ps，需要指出的是，由于调节了谐振腔输出镜的俯仰，使得出射的激光光斑为2阶的厄米-高斯模式，即HG02模；进而在谐振腔外用双柱透镜将HG02模变换为LG02模，通过这样一系列的实验操作，最终获得了高重复频率的2阶超快涡旋激光输出，如图8所示.

图7 深红波段基于石墨烯锁模的掺Pr激光器的装置示意图和激光输出特性

图8 掺Pr自锁模高重复频率超快激光器的装置示意图(a)；HG02模式的输出激光波长(b)和激光脉冲宽度(c)；RF频谱(d)；HG02模式双柱透镜变换为LG02模式的装置示意图(e)；LG02模式的激光脉冲宽度(f)

3.2 可见光光纤锁模脉冲激光器

当前，可见光波段的增益光纤和光纤器件发展不成熟，且可见光波段光纤谐振腔具有超大正色散值问题，建立可见光稳定锁模的难度急剧增加，借助于低维纳米材料的被动锁模运转未有进展，仍需进一步研究.探索一套适用于可见光光纤激光器锁模的技术，继而获得可见光超快光纤激光输出一直是困扰超快激光研究领域的一个难题，也是近年来研究的热点.基于近红外波段利用非线性被动锁模的经验，通过数值求解金兹伯格-朗道方程，本课题组发现耗散孤子谐振机制可应用于可见光波段超大正色腔锁模的稳定建立[41].随后，基于非线性放大环镜，本课题组首次实现了小型化全光纤635 nm红光上转换被动锁模光纤激光器的运转，实验装置如图9(a)所示.该锁模光纤激光器获得锁模中心波长为635 nm(红光)，最窄脉冲宽度为96 ps，射频(RF)信噪比为67 dB，光谱带宽<0.1 nm如图9(b)所示.此外，利用非线性光学环镜，本课题组成功实现了635 nm红光下转换类噪声锁模光纤激光器的运转.获得的最大输出功率为16 mW，脉冲能量为3.4 nJ，峰值功率达到2.7 W.这些工作是最近在可见光超快激光领域的重要进展，为获得可见光波段的超快光纤激光的产生提供了一种新的模式，将为可见光超快光纤激光在精密光谱学、生物医学、显微成像、光通信、科学研究等领域的应用奠定基础.

图9 可见光全光纤红光被动锁模激光器的实验装置图(a)；锁模光纤激光器的锁模光谱(b)、脉冲系列(c)、单脉冲(d)和RF频谱(e)

4 总结与展望

本文从固体和光纤激光器两个技术途径综述了当前直接产生可见光激光的研究进展，总的来说，由于蓝光半导体激光器泵浦源的不断成熟，对直接下转换可见光激光的发展起到了至关重要的促进作用.无论固体还是光纤可见光激光，在连续波、被动调Q和被动锁模这3个重要激光运转模式都取得了显著的发展.然而，相较于成熟的1 μm近红外激光而言，上转换和下转换直接产生的可见光激光仍然有一些问题亟待解决，其中最重要的是高功率、大脉冲能量和飞秒超快问题.目前，能获得连续最高功率可见光激光的是掺Pr固体激光器，功率水平仅在10 W以下，与掺Yb和Nd激光器等相比，有数量级上的落差；同样的问题也出现在大脉冲能量调Q激光器上，而且针对调Q激光器有必要进一步深入研究饱和吸收体的性能，以期在获得更高平均输出功率的同时，也能获得更短的脉冲宽度.针对超快可见光激光，需要进一步挖掘新的高增益宽带激光材料，并研制大调制深度的高性能可饱和吸收体，从而为飞秒超快可见光激光的研制铺平道路.

总而言之，为了提升可见光激光的输出性能，主要需要从半导体激光泵浦源、激光增益介质和可饱和吸收体等多方面进行改进和提高.