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    3~5 μm紅外光纖激光的關鍵器件介紹

    發布時間:2021/8/30

    3~5 μm中紅外激光處于大氣窗口波段,是眾多分子的指紋光譜區,而且在3 μm波長附近對應水的強吸收峰,這個波段的激光可廣泛應用于測距和遠程遙感、吸收光譜學、醫療健康、大氣通信、聚合物材料加工、紅外對抗以及基礎科學等研究領域和國民經濟領域。常見的中紅外激光產生技術有量子級聯激光技術、光學參量振蕩技術和光纖激光技術。量子級聯激光器目前的輸出功率低,尚不能滿足中紅外波段的一些實際應用要求。光參量振蕩技術光路復雜,抗環境干擾能力差。中紅外光纖激光器具有光束質量高、光電轉換效率高、散熱性能好、有望全光纖化等優點因而備受關注。

    近年來一些關鍵器件的進展。

    光纖光柵

    光纖光柵是中紅外光纖激光器的關鍵器件,掌握與之相關的光柵刻寫技術,有助于實現全光纖激光以及腔內集成色散補償。報道的制備方法有飛秒激光相位掩膜、飛秒逐點、飛秒激光逐點掃描等。

    2006年,加拿大通信研究中心的Grobnic等[1]首次利用ZBLAN光纖中的800nm飛秒激光結合相位掩模技術實現了ZBLAN光纖的FBG刻寫。在2013年,悉尼大學和拉瓦爾大學分別研究了飛秒激光引起氟化物光纖折射率變化的機理[2,3]。

    與傳統的相位掩模法相比,飛秒激光直寫具有更大的靈活性。在悉尼大學首次采用飛秒激光逐點法,在ZBLAN光纖上刻寫出中心波長2913nm的FBG[4]。2018年,麥考瑞大學在ZBLAN光纖中,采用三重疊印技術和高溫退火技術,制備出了具有高反射率達99.6%、3dB帶寬為0.62nm的ZBLAN光纖,并在150℃退火6h后反射中心波長2893.8nm,反射率為99.98%,3dB帶寬為1.08nm[5]。

    同一年,大坂大學采用實時監測的方式,在雙包層內摻有Er3+:ZBLAN光纖,中心波長為2799.3nm,反射率為97%。2018年,拉瓦爾大學通過摻有Er3+:ZBLAN光纖雙包層法,采用飛秒激光相位掩膜法刻寫了中心波長3552nm的光纖光柵對[7],其中高反光柵和低反光柵分別為90%和30%。2020年,麥考瑞大學在InF3光纖中刻寫了一個中心波長為4微米、反射率大于95%的FBG,刻柵周期為2.07μm,這對推動高功率全光纖激光器具的發展具有重要意義[8,9]。

    圖1

    圖1. 實時監測逐面刻寫中紅外光柵 (a)刻寫裝置示意圖(b)光柵反射譜圖

    泵浦耦合器

    2019年,日本三星鉆石工業公司首次研制出一種氟化物光纖耦合器,其制備方法采用“側拋+焊接”技術[10],先用研磨機加工成一定斜角進行耦合,再將雙包層摻Er:ZBLAN光纖去除涂覆后,在包層側面做拋光處理,然后將氟化物光纖端面與雙包層光纖進行耦合,再用CO2激光器將連接處緊密焊接在一起,從而使耦合效率達到83%。

    2020年,拉瓦爾大學推出了一種新型側壁泵浦耦合器,耦合效率達93%,結合水冷技術,當泵浦源超過96W時,可以使用[11]。在制作上,將抽運光的熔石英多模尾纖(具有105/125μm的包層直徑105/125μm)用一段無芯光纖熔接,將無芯光纖拉錐,過渡區的長度為40mm,錐區的長度為30μm。

    將圓錐區域纏繞在雙包層型ZBLAN光纖上,通過衰減場耦合進入包層內,實現無需焊接的高效、高功率耦合,從而實現全光纖化中紅外光放大器。

    纖維端蓋

    光纖端蓋可以把光纖激光器的應用擴展到更大的功率范圍。因為光纖的直徑很小,極高的功率密度會燒焦和破壞端面,用光纖端帽可以有效地避免這些影響,端帽內的光束會散開,從而大大降低玻璃/空氣界面處的功率密度。光纖端帽技術對于易潮解的氟化物光纖,有利于氟化物光纖端面與外界水汽完全隔離,可以有效地保護光纖端面的損壞。

    2018年,拉瓦爾大學分別在氟化物光纖端面制備了ZrF4、AlF3、GeO2、SiO2、Er:YAG和Al2O3,采用20W@3dm的激光連續測試小時,實驗中基于氧化物的光纖端帽都通過了測試,但也存在著長時間工作后端帽輸出面溫度升高的問題[12]。因此,研究人員進一步利用磁控濺射法將Si3N4薄膜制成一層光纖端蓋,以Al2O3端蓋為例,在相同測試條件下連續運行100個小時,Si3N4薄膜均未發生溫度升高。

    2.研制過程的進展

    近幾年我國對中紅外光纖激光技術越來越重視,對中紅外光纖、核芯器件制備、大能量超短脈沖產生的關鍵技術給予了重點資助。

    關于光纖的制備,2020年,哈爾濱工程大學報道了自制的大馬士革AlF3光纖,實現了2.9μm激光的斜率效率10.4%[13]。2019年,吉林大學研制出一種摻雜Er3+:InF3光纖,發射截面為3×10-26μm,ASE增益可覆蓋3.1~3.85μm[14]。

    對于脈沖激光的產生,上海交大研究組2020年利用Er3+:ZBLAN光纖與NPE技術實現了131fs的鎖模脈沖產生,其輸出功率和重復頻率分別為317mW和107MHz[15]。本系統還實現了呼吸子脈沖產生,脈寬215fs,脈沖能量9.3nJ,峰值功率43.3kW[16]。2020年,成都電子科大研究組,采用摻雜了Er3+:ZBLAN光纖和NPE技術,獲得了可調諧孤子鎖模脈沖,其調諧范圍為2752.4nm至2807.2nm,脈沖寬度為199fs[17]。該組還在3.46微米的摻雜Er3+:ZBLAN光纖的瓦量級增益調制光纖激光器[18]。

    同時,深圳大學激光工程重點實驗室還在大芯徑氟化物光纖上制備了在3微米波段反射率超過99%的光纖光柵,實現了光纖端帽、氟化物跳線等中紅外光纖器件的自主開發,在此基礎上實現了中心波長2826nm的20W連續激光。

    3.總結

    我國在中紅外光纖激光技術方面,總體發展已呈現閉環態勢,尤其期待高性能氟纖維能夠盡快取代法國LeVerreFluore和日本Fiberlabs公司的產品。全光纖化”可顯著提高激光運行的穩定性、可靠性和小型化,隨著中紅外光纖、光柵、泵浦耦合器等底層核心器件的發展,更有利于全光纖化的激光系統架構,這是中紅外光纖激光技術走向應用的必然趨勢。

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