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高功率中红外波段光纤激光器最新进展及未来趋势

2013-05-23 10:06
科技潮人
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  锗化物光纤具有稳定的机械特性,最大的声子能量值900cm-1和大的稀土离子溶解度,这就使1.9μm波段、窄线宽输出的高效率光纤中Tm3+离子浓度大量减少。然而波长超过2μm的锗化物光纤依赖于玻璃中OH-掺杂的有效移动,实现起来是非常困难的。亚碲酸盐光纤也像大多数氧化物玻璃一样,OH-离子浓度不足。硫属化合(以硫属元素硫、锗或者锑为基础)的高折射率导致较大的吸收和发射截面。可以拓展到中红外15μm的波段,并且在硫化物玻璃中可测得稀土离子跃迁辐射4.3μm波长的荧光。

  3. 脉冲光纤激光器

  硅酸盐玻璃光纤在波长为2μm情况下提供了最高的峰值功率、最大的脉冲能量和最宽的脉冲宽度,主要是因为较大的损失阈值和2μm光纤激光器成熟的制备技术。掺杂Tm3+离子和Ho3+离子的光纤激光器模式锁定后,通过非线性偏振旋转、半导体可饱和吸收体、碳纳米管来产生超短脉冲。如今光纤激光器在2μm波长的最短脉冲宽度是108fs。硅酸盐光纤会产生不规则的色散。利用光栅望远镜或高浓度的掺锗光纤来控制整个的色散,获取更大的脉冲能量。单掺Tm3+硅酸盐玻璃光纤,超短脉冲的啁啾脉冲放大经过再次压缩后,产生近兆瓦特的峰值功率。需要更久脉冲时,激活Q开关将产生仅仅持续十几ns脉冲的脉冲。脉冲二极管激光器直接激发上能级产生1.5μm波长的增益开关,脉冲持续时间不足2ns。

  脉冲光纤激光器发射源激发更长波长,需要利用氟化物玻璃,其表面光学损耗阈值、拉曼增益系数、光学系数较低,热机械特性相对较弱,但是比硅酸盐玻璃光纤的模场面积要大。有关掺铒的ZBLAN光纤激光器Q开关90ns的脉冲宽度,0.9kW的峰值功率)和增益开关(307ns的脉冲宽度,68W的峰值功率)的研究也取得了稳步进展。Q开关单光子跃迁和级联掺Ho3+离子氟化物光纤激光器的研究也表明,可以实现70ns脉宽的脉冲,发射波长为2.87μm双波长输出。

  4. 应 用

  各个领域都需要高强度的在近红外和远红外波段的激光辐射。在软组织医学当中,用到掺Tm3+离子硅酸盐玻璃光纤激光器,因为在1.94μm波段中O-H价键共振产生的吸收波长与发射波长相互重叠着。在泌尿学领域中,用于烧蚀和切割泌尿组织,汽化和切除衰竭的器官等。自由电子激光器的实验也证明,在富含脂质、骨骼和含蛋白质的组织切割过程中,使用中红外激光器都会附带较小的损伤。

  在军事方面,激光的定向能量和穿过大气传输窗口的远距离传输方面的应用都需要很强的光束能量。输出功率达到50kW、波长在1μm波段光纤激光器已经广泛应用。将来的数千瓦、在单横输出的掺Tm3+离子光纤激光器也将进一步大量的应用在反巡航导弹、火箭制导和无人机空域侦查等国防战争平台当中。在红外导弹对抗当中,通过由Q开关控制、掺Ho3+离子晶体激光器(掺Tm3+离子光纤激光器提供泵浦)泵浦的锌禇磷化物121或者GaAs化合物122构成光学参量震荡,可以获得3~5μm波段的大气传输窗口。

  锁模掺Tm3+离子光纤激光器已经用来产生八倍频的超连续光谱和载波包络初始频率探测。大气的成分比如CO2、CO和NO2,分别在2.8μm、2.4μm和2.9μm波段都有着强烈的吸收,这些波段可以通过使用差分吸收光纤激光雷达(LIDAR)来产生。各种碳氢化合物、盐酸盐和常用于溶解显示强吸收化合物,在3.2~3.6μm波段激发辐射光,都起到一定的作用。

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