2μm波長高功率摻銩光纖激光器

孫濤 黃榜才 （中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220）

2μm波長高功率摻銩光纖激光器

孫濤 黃榜才 （中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220）

介紹了2 μm波長高功率摻銩光纖激光器的基本原理，重點分析了其國內(nèi)外研究的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理了2 μm波長高功率摻銩光纖激光器的技術(shù)發(fā)展趨勢，根據(jù)其特點分析了2 μm波長高功率摻銩光纖激光器在傳感和光譜分析、醫(yī)療和材料加工等方面的應(yīng)用前景。

高功率 摻銩激光器 光纖光學(xué)

0 引言

由于有源光纖激光器具有高的能效比、輸出光束質(zhì)量好、輸出波長范圍寬、體積小、重量輕等優(yōu)點，近年來取得了飛速發(fā)展。但隨著輸出功率的進一步提高，人們越來越發(fā)現(xiàn)保障人眼安全問題成為光纖激光器發(fā)展的重要問題。由于摻銩光纖激光器的發(fā)射波長在2 μm附近，屬于人眼安全波段范圍，所以摻銩光纖近幾年發(fā)展迅速，成為研究熱點。

銩，為鑭系稀土元素，原子序數(shù)69。光纖激光器的發(fā)射波長在2 μm附近，能夠?qū)崿F(xiàn)1.6～2.1 μm的調(diào)諧，是所有稀土離子中最寬的，其中2 μm近紅外長波段對人眼安全，保護視網(wǎng)膜不會受到高功率激光的照射，避免引發(fā)永久傷害和失去視力，可廣泛應(yīng)用于激光雷達、遙感技術(shù)以及激光醫(yī)學(xué)、眼睛安全的近距離遙感、軍事等領(lǐng)域。這種波段的激光在普通石英光纖中表現(xiàn)出良好的傳輸特性（＜0.44 dB/m），而且由于銩離子特殊的能級結(jié)構(gòu)，不同能級之間的交叉馳豫可突破理論的Stokes效率極限，大大提高激光器的效率，離子效率理論值可高達2，而且利用頻率上轉(zhuǎn)換技術(shù)（Frequency Upconvertion）產(chǎn)生可見光，可使近紅外光泵浦的光纖成為可見熒光輻射源和激光輻射源，在光纖陀螺、光學(xué)測量診斷技術(shù)、分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等方面具有重要的應(yīng)用價值。

1 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

由于摻銩光纖激光器具有重要的應(yīng)用價值，國外在摻銩光纖激光器的研究方面發(fā)展迅速。2000年英國南安普敦大學(xué)的Nilsson J等用雙包層摻銩光纖和雙端抽運方式實現(xiàn)了斜率效率46%的14 W連續(xù)波輸出，同時又用光纖選波長技術(shù)實現(xiàn)了激光波長1 870～2 040 nm可調(diào)諧激光輸出，調(diào)諧范圍內(nèi)連續(xù)波功率大于5 W，采用的光纖內(nèi)包層為D型、直徑200 μm、纖芯直徑20 μm。最近東京大學(xué)在基于單包層環(huán)形腔光纖激光器技術(shù)的基礎(chǔ)上，將摻銩光纖的輸出端磨成45°角放在輸入端，與輸入端光纖準(zhǔn)直，實現(xiàn)了雙包層環(huán)形腔11.5 W的連續(xù)波輸出。德國的IPG公司生產(chǎn)的高功率單模摻銩雙包層光纖激光器已達到150 W的連續(xù)輸出，波長可調(diào)諧的范圍在1 750～2 200 nm。經(jīng)過短短幾年，國際上雙包層摻銩光纖和光纖激光器的研究飛速發(fā)展。英國南安普敦大學(xué)通訊研究室，德國漢堡技術(shù)大學(xué)，美國的Polaroid Corporation、Bell實驗室，日本的NTT、Hoys以及俄羅斯的IREPolus公司均在摻稀土離子雙包層光纖激光器研究中取得了許多重要成果。最近NUFERN公司研制成功業(yè)界第一款高效率摻銩雙包層光纖，適合于人眼安全的2 μm波段光纖激光器和放大器應(yīng)用，纖芯直徑25 μm，包層直徑 400 μm。

相比之下，國內(nèi)高功率雙包層摻銩光纖激光器的研究工作起步較晚。一是高摻雜濃度摻銩光纖的研制尚屬空白。研制有源光纖目前存在的主要問題有：光纖芯部的稀土離子摻雜濃度低、均勻性差。這是限制光纖激光器性能提高的技術(shù)“瓶頸”。二是高功率摻銩光纖激光器研制技術(shù)一直沒有大的突破，主要問題有：用于2 μm波長選頻的光纖光柵研制技術(shù)一直沒有解決，泵浦半導(dǎo)體激光器仍然沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，進口產(chǎn)品價格居高不下。由于上述各方面原因，導(dǎo)致目前國內(nèi)高功率摻銩光纖激光器研制進程與國際差距越拉越大，開展相關(guān)研究工作是當(dāng)前一個相當(dāng)迫切的工作。

2 國內(nèi)外研究技術(shù)發(fā)展趨勢

光纖激光器已經(jīng)從一個很小的細分市場成長為主流的激光器平臺，在2006年的銷售額就已經(jīng)超過1億美元。最近，僅有的高功率光纖激光器技術(shù)是輸出波長在1 μm附近的基于摻鐿光纖的激光器，這是在過去十年間發(fā)展起來的一項技術(shù)。2 μm光纖激光器是基于摻銩二氧化硅光纖的新一代高效輸出的高功率激光器。該類光纖激光器的優(yōu)點在于其工作在“人眼安全”波段，同時還能采用商用化的790 nm波長的高功率二極管技術(shù)。該激光器中用到的摻銩光纖，基于電信級的二氧化硅光纖技術(shù)，并且與為1 μm激光器設(shè)計的基本器件相兼容，再加上現(xiàn)有的泵浦二極管技術(shù)，從而使這項技術(shù)得到了快速發(fā)展。

眾所周知，銩離子在固態(tài)晶體激光器中存在交叉弛豫現(xiàn)象，即一個銩離子吸收一個790 nm的泵浦光子會在激光輻射的亞穩(wěn)態(tài)能級產(chǎn)生兩個激發(fā)態(tài)離子。優(yōu)化這個過程可以使一個泵浦光子產(chǎn)生兩個激光輻射光子，因此從理論上講，其量子效率接近200%。近年來對這種現(xiàn)象的研究和拓展，促使790 nm泵浦摻銩光纖激光器的斜率效率從1998年的30%左右提高到了2005年的接近70%（見圖1、2）。

圖1 摻銩光纖中的交叉弛豫過程

圖2 摻銩光纖激光器的效率逐年增加

現(xiàn)在千瓦級光纖激光器已經(jīng)實現(xiàn)，該激光器是輸出波長為1 080 nm的摻鐿光纖激光器，但是對于應(yīng)用來說這不是人眼安全的激光波長。到目前為止，摻銩光纖激光器也幾乎實現(xiàn)了1 000 W的輸出功率。2007年，F(xiàn)rith等人報道了110 W連續(xù)的摻銩光纖激光器，激光波長線寬為3 nm，斜率效率為55%。他們采用了低數(shù)值孔徑纖芯（NA為0.06）的大模場面積雙包層光纖來保證獲得單模激光輸出，光纖芯的直徑為20 μm，包層直徑為400 μm，諧振腔采用的是光纖光柵。同一年Wu等人報道了一個高功率輸出的摻銩光纖激光器，他們采用20 cm長的一段光纖，利用端面泵浦的方式實現(xiàn)了64 W的輸出功率，相對于800 nm波長的光纖功率其斜率效率為68%，采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)其輸出功率可以提高到104 W，但是斜率效率降低為52.5%。2007年采用1 567 nm級聯(lián)泵浦、輸出功率達到415 W的摻銩光纖激光器被報道，該激光器采用18個連續(xù)鉺光纖激光器進行端面泵浦，使用光纖光柵構(gòu)成全光纖結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生的光束質(zhì)量小于1.1，斜率效率60%。2009年，Moulton等人使用625 μm包層直徑、35 μm纖芯直徑（數(shù)值孔徑為0.2）的摻銩光纖，室溫下實現(xiàn)了885 W的連續(xù)輸出功率，這是目前為止單模輸出功率的最高記錄，斜率效率49.2%。該激光器采用了7 m增益光纖，使用793 nm光纖耦合輸出的半導(dǎo)體激光器進行雙端泵浦。所以實際上最高輸出功率的摻銩光纖激光器使用的泵浦波長是800 nm左右的泵浦光源，而且該波長泵浦的光光轉(zhuǎn)換效率要比1 567 nm波長泵浦方式更高。但是不管采用兩種泵浦方式的哪一種，理論上都可以實現(xiàn)全光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前能提供高功率摻銩光纖激光器產(chǎn)品的兩個公司就分別采用了兩種泵浦方式：NUFERN公司采用的是800 nm半導(dǎo)體激光器泵浦，而IPG公司采用的是內(nèi)嵌的1 567 nm泵浦方式。

由于效率的提高，單一摻銩光纖激光器的輸出功率開始達到千瓦水平。盡管目前報道的最高輸出功率并沒有獲得完美的接近衍射極限的光束質(zhì)量，但是它們僅受限于可獲得的泵浦光功率，因此其在技術(shù)上顯示出了產(chǎn)生千瓦級輸出功率的潛力（見圖 3、4）。

圖3 摻銩光纖激光器輸出功率隨可獲得的泵浦功率增加而增加

圖4 摻銩光纖激光器輸出功率逐年增加

3 高功率摻銩光纖激光器的應(yīng)用

高功率摻銩光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，諸如金屬和非金屬材料的加工與處理、激光雕刻、激光產(chǎn)品打標(biāo)、激光焊接、焊縫清理、精密打孔、激光檢測和測量、激光圖形藝術(shù)成像、激光醫(yī)學(xué)、污染控制、激光雷達系統(tǒng)、傳感技術(shù)和空間技術(shù)以及激光武器等，器件的產(chǎn)業(yè)化能極大地提高上述行業(yè)的技術(shù)水平，推動上述行業(yè)的快速發(fā)展。由此可見，高功率摻銩光纖激光器的市場巨大，對相關(guān)行業(yè)的貢獻也非常明顯。

激光傳感和光譜分析方面，2 μm波長激光是人眼安全的波長，因為該波長會被晶狀體吸收而不會達到視網(wǎng)膜，對眼睛的損傷閾值比短波長更高。因此人眼安全的2 μm波長激光器具有非常大的潛在市場，特別是應(yīng)用在對人眼安全要求較高的自由空間光通信方面，所以這類激光器是LIDAR（光探測和距離搜索）理想的光源。LIDAR系統(tǒng)和RADAR非常類似，但是前者的信號反饋是由空氣中懸浮的氣溶膠粒子提供。

在醫(yī)療方面，很多特性使得2 μm波長高功率摻銩光纖激光器成為軟組織和硬組織高精度外科手術(shù)的優(yōu)良候選光源。最主要的是在水峰處的高吸收，實現(xiàn)了在人體內(nèi)最小的滲透深度。表面中紅外消除作用只引起亞微米切除，創(chuàng)口區(qū)的破壞很小。另外，2 μm波長激光器的凝結(jié)作用，可以減少手術(shù)時的流血。在多數(shù)情況下，激光器主要應(yīng)用于高精確的組織切除手術(shù)、眼科手術(shù)和牙科手術(shù)。

在材料處理方面，2 μm激光器在材料處理特別是塑料處理方面非常具有吸引力，大多數(shù)相近的塑料材料在2 μm附近有足夠強的吸收，所以可以直接進行材料處理，用吸收的能量可以進行切割、熔接和標(biāo)刻，但是用標(biāo)準(zhǔn)1 μm激光器就需要采用添加劑，以提高材料對能量的吸收。這些添加劑使得處理過程更加復(fù)雜，同時對于一些醫(yī)療應(yīng)用來說，添加劑是禁用的，這些激光系統(tǒng)必須能輸出高功率的連續(xù)光，具有高質(zhì)量的光束質(zhì)量，并且具有高的可靠性。

4 總結(jié)

文章總結(jié)了2 μm波長高功率摻銩光纖激光器國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，并對其技術(shù)發(fā)展進行了分析和總結(jié)。由于該激光器具有眾多優(yōu)點，目前成為學(xué)術(shù)界研究的熱點，極有希望發(fā)展成為下一代新型高功率光纖激光器，在國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中發(fā)揮重要作用?！?/p>

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2011-11-09