中红外光纤激光器的研究进展_陈昊
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3 3 3 3 3 3 3+
图 1 掺 T m 3+ Z BL A N 光纤中 T m 3+ 能级图 Fig . 1 Simplified energ y - lev el diag ram fo r T m3+ - do ped ZBL A N f iber laser
子在 H 4 与 H 6 能级之间会产生交叉弛豫 ( CR) , 并最终 大量聚集在3 F 4 能级。这对于 2. 3 m 激光的输出效率是一种严重的限制。因此, 可以通过加强 3 F4 和3 H 6 能级之间的跃迁产生 2 m 激光输出的方法来降低 3 F 4 能级粒子数 , 从而达到提高 2. 3 m 激光输出效率的 目的。使用掺 T m 3+ ZBL AN 光纤在实际应用中有助于提高光纤激光器的工作效率和实现多种中红外波长 的输出[ 10~ 13] 。 1989 年, Allen 等 率先采用 790 nm 的 AlGaAs 半导 体激光器作为抽运源实现了 2. 3 m 的 10 mW 连续激光 输出, 斜 率 效 率 为 10% 。 1992 年, P ercival 等[ 15] 利 用 790 nm 的 T i 蓝 宝 石 激 光 器 作 为 抽 运 源, 实 现 了 在 2. 25~ 2. 5 m 波 段 可 调谐 的 连续 激 光 输 出。 2008 年, Eichhorn 等[ 16] 对掺 Tm 3+ 物质的量分数为 2. 5% 的 ZBLAN 光纤激光器 , 使用 2 个 792 nm 半导体激光器抽运, 将其输 出功率提高到了 20 W, 斜率效率为 49% , 其实验原理如 图 2所示。该结果表明, 尽管掺 Tm 3+ ZBLAN 光纤激光器 同样可以提升到一个较高的水平。 2. 2 掺 H o 3+ ZBL AN 光纤激光器 Ho 3+ 为掺稀土中红外 ZBLAN 光纤激光器提供了一个新的选择。H o 3+ 在5 I7 2. 1 m的激光 输出, 而 I6
3+ 5 5 5 [14]
图 2 掺 T m 3+ ZBL AN 光纤激光 器实验原理图 F ig . 2 Schematic of the ex per imental setup of T m 3+ fiber laser
的输出功率不能跟掺 Tm 3+ 石英光纤激光器相比 , 但随着新型的光纤设计和新的抽运技术的出现, 其输出功率
收稿日期 : 2011 - 05 - 16; 收到修改 稿日期 : 2011 - 06 - 05; 网络出版日期 : 2011 - 09 - 03 基金项目 : 中国博士后科学基金 ( 20090451417) 、 中国博士后特别资助项目 ( 201003693) 和中央高 校基本科 研业务费专 项 基金 ( ZY GX2009J053) 资助课题。 作者简介 : 陈 昊 ( 1986 ) , 男 , 硕士研究生 , 主要从事光纤激光器和波导探测器等方面的研究。 ) , 男 , 博士 , 副教授 , 硕士生导师 , 主要从事光纤激光器和传感器等方面的研究。 E - mail: chenh0909@ ho tmail. com 导师简介 : 李剑峰 ( 1982 E - mail: lijianfeng@ uest c. edu. cn; jfli@ physics. usyd. edu. au 111402 -1
Luo Hongyu
( School of Opt oelectr on ic In for m a t ion , Un iver sit y of Electr on ic S cience an d T echnology of Chin a ,
1
[ 1]
引
言
与传统的固体和气体激光器相比, 光纤激光器具有光束质量好、 体积小、 转换效率高、 散热效果好等优 点。在近红外波段( 1~ 2 m) , 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 。由于石英材料的声子能量高达 1100 cm , 因此在波长大于 2. 2 m 时传输损耗会很大 , 不能用于制 作波长超过 2. 2 m 的光纤激光器或光纤拉曼激光器。而位于 2~ 5 m 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。例如 , 它位于大气 透明窗口 , 因此可应用于激光雷达、 激光测距和大气通信。 另外 , 它还处于大多数军用探测器的工作波段 , 因此在激光制导、 遥感测控、 光电对抗等军事领域有着重要的 应用。因为水分子在 3 m 附近有很强的吸收峰 , 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 [ 2] 。为了获得中红外光纤激光 , 则要求使用的光纤具有低的声子能量并在中红外波段传输损 耗较小。目前, 最常用的中红外光纤为氟化物 ( ZBLAN ) 光纤和硫化物光纤[ 3, 4] 。氟化物光纤典型的组分
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2
ZBLA N 中红外光纤激光器的研究进展
3+ 3+
2. 1 掺 T m ZBLAN 光纤激光器 掺 T m ZBL AN 光纤激光器近年来发展迅速, 这是 因为 它 在 790 nm 处 有 很 宽 的 吸 收 带, 从 而 为 使 用 AlGaAs 半 导 体 激 光 器 抽 运 提 供 了 便 利。 图 1 为 掺 T m ZBL AN 光纤激光器 的能级图。基 态粒子通过 基 态吸收 ( GSA) 激发到高能级 3 H 4 , 3 H 4 到 3 H 5 间的激光跃 迁会产生 2. 3 m 的激光, 而3 F 4 到3 H 6 的能级跃迁会产 生 2. 0 m 的激光。由于3 H 4 能级的寿命( 1. 5 ms) 远低 于 F 4 能级的寿命 ( 6. 8 m s) , 粒子从 H 4 跃迁到 H 5 能级 后将会迅速通过非辐射衰减弛 豫到 F 4 能级。另外 , 粒
图 3 H o3+ / T m 3+ 共掺 Z BL A N 光纤激光器 中 H o3+ 、 T m 3+ 能级图 Fig . 3 Part ial energ y - level scheme of H o3+ w ith T m 3+ sensitizer
应用 前景。从 不同掺杂稀土离子的角度介绍了氟化物玻璃和硫化物玻璃中红外光 纤激光器的 工作原理 和结构 , 并 阐述了国内外最新的研究进展。同时 , 介 绍了 本研究 小组 在中红 外光 纤激光 器方 面的 研究工 作及 取得的 最新 成 果。最后 , 对中红外光纤激光器的发展前景进行了展望。 关键词 光纤激光器 ; 中红外光纤激光器 ; 氟化物光纤 ; 硫 化物光纤 ; 拉曼光纤 T N 248. 1 文献标识码 A doi: 10 . 3788/ LOP48 . 111402 中图分类号
5
I8 跃迁所产生的2. 1 m
激光的输出效率和稳定性。因此, 使用 Ho 3+ , Tm 3+ 共掺 ZBL AN 光纤可以使 2 m 掺 H o 3+ ZBLAN 光纤激光器的 工作性能得到显著改善[ 17, 18] 。 1988 年 , Brier ley 等 采用 488 nm 的氩离子光 纤 激光器抽运掺 H o 3+ ZBL AN 光纤, 获得 2. 08 m 激光输 出。然而 , 其输出效率非常低 ( 小于 0. 3% ) , 而且 2 m
激光与光电子学进展
48, 111402( 2011)
La ser &Opt oe le ct ro nics Pro gress
2011 中国激光 杂志社
中红外光纤激光器的研究进展
陈 昊 李剑峰 欧中华 杨 怡 陈 明 罗鸿禹 魏 涛 刘永智
( 电子科技大学光电信息学 院 , 四川 成都 610054) 摘要 中红外光纤激光器因其特殊的输出波长和良好的光束质量 , 在军事、 大气通 信、 生物 医疗等领 域有着广泛 的
间交叉弛豫的作用 , 即当一个 H 4 能级的 Tm
111402 -2
弛豫到 F4 能级的同
3
48, 111402
激光与光电子学进展
w ww . o pticsjournal. net
时, 另一个 Tm 3+ 将会从3 H 6 能级激发到3 F4 能级[ 13] , 这样 可以促进发生于 Tm 3+ 的3 F4 能级与 H o3+ 的5 I7 间的能量 传递( ET ) , 从而进一步提升5 I7
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激光与光电子学进展
w ww . o pticsjournal. net
ZrF4 , BaF2 , L aF3 , AlF3 , NaF 的物质的量分数分别为 53% , 20% , 4% , 4% 和 20% , 这种材料的声子能量为 550 cm - 1 , 因此在波长小于 6. 0 m 的范围内可以实现低损耗传输。目前利用在氟化物光纤中掺杂 T m 3+ 、 H o 3+ 、 Er 3+ 等不同离子已实现 2~ 3 m 波段的多种激光输出 [ 5~ 8] 。硫化物光纤主要包含一种或多种硫族元 素如 S 、 Se 、 T e 等与少量其他元素如 Ge、 As 、 Sb 等元素 , 这种材料的光纤声子能量比石英光纤小的多 ( 300~ 450 cm ) , 因此对于以 S 元素或 Se 元素为主的光纤可以分别实现在 0. 8~ 7 m 和 1~ 10 m 范围内的低 损耗传输[ 9] 。特别地 , As - Se 硫化物光纤具有很高的非线性系数 , 一般为石英光纤的几百倍 , 并且其具有很 窄的拉曼线宽( 约 60 cm - 1 ) [ 10] 。利用这个特性 , As - Se 硫化物光纤可以用于制作中红外拉曼光纤激光器 , 这 使实现比抽运光更长波长的光纤拉曼激光成为可能。 本文对国内外中红外 Z BL AN 与 As - Se 光纤激光器的研究进展进行了介绍 , 给出了本研究小组在该领 域的最新成果, 并对中红外光纤激光器的未来发展进行了展望。
Progress of Mid -Infrared Fiber Lasers
Chen Hao Li Jianfeng Ou Zhonghua Yang Yi Chen Ming Wei T ao Liu Yongzhi
Chen gdu , Sichu an 610054, China ) Abstract Mid -infrared fiber lasers have broad application prospects in military, atmospheric communication, medical and other fields owing to their special output wavelength and high beam quality. The latest progress of fluoride and chalcogenide mid -infrared fiber lasers is described from the perspective of different rare -earth doped ions. Meanwhile, our latest progress in mid -infrared fiber lasers is also introduced. Finally, the development trends of the mid -infrared fiber lasers are prospected. Key words fiber lasers; mid -infrared fiber laser; fluoride fiber; chalcogenide fiber; Raman fiber OCIS codes 140 . 3070 ; 060 . 2290; 060 . 3510
I8 间的能级跃迁会产生
3I7 间 的 能级 跃迁来自会 产生 2. 8 m 的 输 出。许多 早 期室 温 下连 续 输出 的掺
3+ 3+
Ho ZBLAN光纤激光器中都掺杂了 Tm 果 Tm
3+
, 其能级如图 3 所示。 Tm
3+
通过 GSA 作用被激发到高能级 H 4 , 如
3 3+
浓度足够高, 由于两个相邻 Tm
图 1 掺 T m 3+ Z BL A N 光纤中 T m 3+ 能级图 Fig . 1 Simplified energ y - lev el diag ram fo r T m3+ - do ped ZBL A N f iber laser
子在 H 4 与 H 6 能级之间会产生交叉弛豫 ( CR) , 并最终 大量聚集在3 F 4 能级。这对于 2. 3 m 激光的输出效率是一种严重的限制。因此, 可以通过加强 3 F4 和3 H 6 能级之间的跃迁产生 2 m 激光输出的方法来降低 3 F 4 能级粒子数 , 从而达到提高 2. 3 m 激光输出效率的 目的。使用掺 T m 3+ ZBL AN 光纤在实际应用中有助于提高光纤激光器的工作效率和实现多种中红外波长 的输出[ 10~ 13] 。 1989 年, Allen 等 率先采用 790 nm 的 AlGaAs 半导 体激光器作为抽运源实现了 2. 3 m 的 10 mW 连续激光 输出, 斜 率 效 率 为 10% 。 1992 年, P ercival 等[ 15] 利 用 790 nm 的 T i 蓝 宝 石 激 光 器 作 为 抽 运 源, 实 现 了 在 2. 25~ 2. 5 m 波 段 可 调谐 的 连续 激 光 输 出。 2008 年, Eichhorn 等[ 16] 对掺 Tm 3+ 物质的量分数为 2. 5% 的 ZBLAN 光纤激光器 , 使用 2 个 792 nm 半导体激光器抽运, 将其输 出功率提高到了 20 W, 斜率效率为 49% , 其实验原理如 图 2所示。该结果表明, 尽管掺 Tm 3+ ZBLAN 光纤激光器 同样可以提升到一个较高的水平。 2. 2 掺 H o 3+ ZBL AN 光纤激光器 Ho 3+ 为掺稀土中红外 ZBLAN 光纤激光器提供了一个新的选择。H o 3+ 在5 I7 2. 1 m的激光 输出, 而 I6
3+ 5 5 5 [14]
图 2 掺 T m 3+ ZBL AN 光纤激光 器实验原理图 F ig . 2 Schematic of the ex per imental setup of T m 3+ fiber laser
的输出功率不能跟掺 Tm 3+ 石英光纤激光器相比 , 但随着新型的光纤设计和新的抽运技术的出现, 其输出功率
收稿日期 : 2011 - 05 - 16; 收到修改 稿日期 : 2011 - 06 - 05; 网络出版日期 : 2011 - 09 - 03 基金项目 : 中国博士后科学基金 ( 20090451417) 、 中国博士后特别资助项目 ( 201003693) 和中央高 校基本科 研业务费专 项 基金 ( ZY GX2009J053) 资助课题。 作者简介 : 陈 昊 ( 1986 ) , 男 , 硕士研究生 , 主要从事光纤激光器和波导探测器等方面的研究。 ) , 男 , 博士 , 副教授 , 硕士生导师 , 主要从事光纤激光器和传感器等方面的研究。 E - mail: chenh0909@ ho tmail. com 导师简介 : 李剑峰 ( 1982 E - mail: lijianfeng@ uest c. edu. cn; jfli@ physics. usyd. edu. au 111402 -1
Luo Hongyu
( School of Opt oelectr on ic In for m a t ion , Un iver sit y of Electr on ic S cience an d T echnology of Chin a ,
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[ 1]
引
言
与传统的固体和气体激光器相比, 光纤激光器具有光束质量好、 体积小、 转换效率高、 散热效果好等优 点。在近红外波段( 1~ 2 m) , 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 。由于石英材料的声子能量高达 1100 cm , 因此在波长大于 2. 2 m 时传输损耗会很大 , 不能用于制 作波长超过 2. 2 m 的光纤激光器或光纤拉曼激光器。而位于 2~ 5 m 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。例如 , 它位于大气 透明窗口 , 因此可应用于激光雷达、 激光测距和大气通信。 另外 , 它还处于大多数军用探测器的工作波段 , 因此在激光制导、 遥感测控、 光电对抗等军事领域有着重要的 应用。因为水分子在 3 m 附近有很强的吸收峰 , 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 [ 2] 。为了获得中红外光纤激光 , 则要求使用的光纤具有低的声子能量并在中红外波段传输损 耗较小。目前, 最常用的中红外光纤为氟化物 ( ZBLAN ) 光纤和硫化物光纤[ 3, 4] 。氟化物光纤典型的组分
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ZBLA N 中红外光纤激光器的研究进展
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2. 1 掺 T m ZBLAN 光纤激光器 掺 T m ZBL AN 光纤激光器近年来发展迅速, 这是 因为 它 在 790 nm 处 有 很 宽 的 吸 收 带, 从 而 为 使 用 AlGaAs 半 导 体 激 光 器 抽 运 提 供 了 便 利。 图 1 为 掺 T m ZBL AN 光纤激光器 的能级图。基 态粒子通过 基 态吸收 ( GSA) 激发到高能级 3 H 4 , 3 H 4 到 3 H 5 间的激光跃 迁会产生 2. 3 m 的激光, 而3 F 4 到3 H 6 的能级跃迁会产 生 2. 0 m 的激光。由于3 H 4 能级的寿命( 1. 5 ms) 远低 于 F 4 能级的寿命 ( 6. 8 m s) , 粒子从 H 4 跃迁到 H 5 能级 后将会迅速通过非辐射衰减弛 豫到 F 4 能级。另外 , 粒
图 3 H o3+ / T m 3+ 共掺 Z BL A N 光纤激光器 中 H o3+ 、 T m 3+ 能级图 Fig . 3 Part ial energ y - level scheme of H o3+ w ith T m 3+ sensitizer
应用 前景。从 不同掺杂稀土离子的角度介绍了氟化物玻璃和硫化物玻璃中红外光 纤激光器的 工作原理 和结构 , 并 阐述了国内外最新的研究进展。同时 , 介 绍了 本研究 小组 在中红 外光 纤激光 器方 面的 研究工 作及 取得的 最新 成 果。最后 , 对中红外光纤激光器的发展前景进行了展望。 关键词 光纤激光器 ; 中红外光纤激光器 ; 氟化物光纤 ; 硫 化物光纤 ; 拉曼光纤 T N 248. 1 文献标识码 A doi: 10 . 3788/ LOP48 . 111402 中图分类号
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I8 跃迁所产生的2. 1 m
激光的输出效率和稳定性。因此, 使用 Ho 3+ , Tm 3+ 共掺 ZBL AN 光纤可以使 2 m 掺 H o 3+ ZBLAN 光纤激光器的 工作性能得到显著改善[ 17, 18] 。 1988 年 , Brier ley 等 采用 488 nm 的氩离子光 纤 激光器抽运掺 H o 3+ ZBL AN 光纤, 获得 2. 08 m 激光输 出。然而 , 其输出效率非常低 ( 小于 0. 3% ) , 而且 2 m
激光与光电子学进展
48, 111402( 2011)
La ser &Opt oe le ct ro nics Pro gress
2011 中国激光 杂志社
中红外光纤激光器的研究进展
陈 昊 李剑峰 欧中华 杨 怡 陈 明 罗鸿禹 魏 涛 刘永智
( 电子科技大学光电信息学 院 , 四川 成都 610054) 摘要 中红外光纤激光器因其特殊的输出波长和良好的光束质量 , 在军事、 大气通 信、 生物 医疗等领 域有着广泛 的
间交叉弛豫的作用 , 即当一个 H 4 能级的 Tm
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弛豫到 F4 能级的同
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时, 另一个 Tm 3+ 将会从3 H 6 能级激发到3 F4 能级[ 13] , 这样 可以促进发生于 Tm 3+ 的3 F4 能级与 H o3+ 的5 I7 间的能量 传递( ET ) , 从而进一步提升5 I7
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激光与光电子学进展
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ZrF4 , BaF2 , L aF3 , AlF3 , NaF 的物质的量分数分别为 53% , 20% , 4% , 4% 和 20% , 这种材料的声子能量为 550 cm - 1 , 因此在波长小于 6. 0 m 的范围内可以实现低损耗传输。目前利用在氟化物光纤中掺杂 T m 3+ 、 H o 3+ 、 Er 3+ 等不同离子已实现 2~ 3 m 波段的多种激光输出 [ 5~ 8] 。硫化物光纤主要包含一种或多种硫族元 素如 S 、 Se 、 T e 等与少量其他元素如 Ge、 As 、 Sb 等元素 , 这种材料的光纤声子能量比石英光纤小的多 ( 300~ 450 cm ) , 因此对于以 S 元素或 Se 元素为主的光纤可以分别实现在 0. 8~ 7 m 和 1~ 10 m 范围内的低 损耗传输[ 9] 。特别地 , As - Se 硫化物光纤具有很高的非线性系数 , 一般为石英光纤的几百倍 , 并且其具有很 窄的拉曼线宽( 约 60 cm - 1 ) [ 10] 。利用这个特性 , As - Se 硫化物光纤可以用于制作中红外拉曼光纤激光器 , 这 使实现比抽运光更长波长的光纤拉曼激光成为可能。 本文对国内外中红外 Z BL AN 与 As - Se 光纤激光器的研究进展进行了介绍 , 给出了本研究小组在该领 域的最新成果, 并对中红外光纤激光器的未来发展进行了展望。
Progress of Mid -Infrared Fiber Lasers
Chen Hao Li Jianfeng Ou Zhonghua Yang Yi Chen Ming Wei T ao Liu Yongzhi
Chen gdu , Sichu an 610054, China ) Abstract Mid -infrared fiber lasers have broad application prospects in military, atmospheric communication, medical and other fields owing to their special output wavelength and high beam quality. The latest progress of fluoride and chalcogenide mid -infrared fiber lasers is described from the perspective of different rare -earth doped ions. Meanwhile, our latest progress in mid -infrared fiber lasers is also introduced. Finally, the development trends of the mid -infrared fiber lasers are prospected. Key words fiber lasers; mid -infrared fiber laser; fluoride fiber; chalcogenide fiber; Raman fiber OCIS codes 140 . 3070 ; 060 . 2290; 060 . 3510
I8 间的能级跃迁会产生
3I7 间 的 能级 跃迁来自会 产生 2. 8 m 的 输 出。许多 早 期室 温 下连 续 输出 的掺
3+ 3+
Ho ZBLAN光纤激光器中都掺杂了 Tm 果 Tm
3+
, 其能级如图 3 所示。 Tm
3+
通过 GSA 作用被激发到高能级 H 4 , 如
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浓度足够高, 由于两个相邻 Tm