2012年度十大优秀光纤激光技术论文

2012-12-17 00:23

　　四、中红外光纤激光器技术原理及发展方向　　

光纤激光器和光纤拉曼激光器以其优良的光束质量、高的转换效率、运行稳定和便于热管理等诸多优点，已成为激光器领域发展的一个新的里程碑。其已经在光通信、机械制造、医疗和国防应用上显示了卓越的性能。但是光纤激光器和光纤拉曼激光器的发射波长现在主要集中在1~2μm波段，这里面以掺Yb、掺Tm和掺Er光纤激光器为代表，其中还有主要以这三种激光器作为泵浦原的光纤拉曼激光器。

　　现阶段利用光纤激光器实现波长大于2μm高功率激光输出还受到限制，这主要归因于大于2μm的激光在硅基光纤中存在强烈的共振吸收。采用大于2μm波长处具有低的声子损耗的新基质光纤是解决光纤中红外光源的关键，现阶段主要获得2~5μm光纤激光器的主要光纤有氟化物光纤、ZBLAN fiber，包括ZrF4、BaF2、LaF3、AlF3和NaF、硫化物光纤、三硫化二砷As2S3和三硒化二砷As2Se3、氧化碲光纤、二氧化碲TeO2和高掺GeO2光纤。以这几种材料为基质的光纤在2~5μm波段都具有较低的声子能量，对稀土离子具有较好的溶解性，而且它们的折射率都较高。

　　基于光纤结构实现2~5μm波段激光输出的方式主要有四种方式，纤芯掺杂稀土离子后采用激光振荡方式，2.1μm掺Ho光纤激光器最高输出达到140W； 2.8μm掺Er光纤激光器，最高输出功率达到24W。采用1.5μm和2.0μm的超短脉冲激光作为泵浦源，泵浦中红外光纤获得2~5μm波段超连续谱激光输出。利用ZBLAN氟化物光纤获得的1~4μm超连续激光已达10W以上，利用As2Se3已经获得3~6μm的超连续谱输出。采用1.5μm和2.0μm的激光作为泵浦源，通过拉曼散射方式获得大于2μm波段激光输出。采用短脉冲激光泵浦微结构光子晶体光纤，通过光纤四波混频实现大于2μm波段激光输出。

　　一、中红外光纤激光器简介

　　1中红外激光中红外激光中红外激光中红外激光

　　位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。它位于大气“透明窗口”，处于大多数军用探测器的工作波段，可以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外干扰等军事用途。在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制，它还可以用于新一代激光手术，使血液迅速凝结，手术创面小、止血性好（水分子在3μm附近有很强的吸收峰）此外，采用2～5 μm 替代目前广泛使用的1.55 μm 作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题，由于材料的Rayleigh 散射与光波长的四次方成反比，采用2～5 μm 作为工作波长可以有效降低光纤损耗，增加无中继通信的距离。因此，研发中红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。

　　获得中红外激光的方法有间接方法和直接方法。其中间接方法包括：

　　(1) CO2激光器的倍频及差频输出

　　(2) 利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或光学参量振荡技术将其它波段激光调谐到中红外波段

　　直接方法包括：

　　(1)以氟化氘等为介质的化学激光器

　　(2) 以AlGaAsSb，InGaAsSb，InAs/(In)GaSb 等锑化物窄禁带半导体、过渡金属离子掺杂的Ⅱ–Ⅵ族半导体制作的中红外激光器

　　(3)近红外半导体激光泵浦的稀土离子或过渡金属离子掺杂的玻璃、晶体的光纤激光器。

　　2光纤激光器

　　光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，主要由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成，结构如图1所示。

　　图1

　　光纤激光器的泵浦源由一个或多个大功率激光二极管构成，其发出的泵浦光经耦合系统耦合到作为增益介质的掺稀土元素光纤内，泵浦波长上的光子被掺杂光纤介质吸收，形成粒子数反转，受激发射的光波经谐振腔镜的反馈和振荡形成激光输出。

　　光纤激光器的优点在于光纤激光器是波导式结构，易于实现和光纤的耦合。与传统的固体和气体激光器相比，光纤激光器的光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好。在近红外波段(1~2μm)，光纤激光器与光纤拉曼激光器已经广泛地应用于通信、工业、医疗、国防等领域。