蓝光光纤激光器的原理及发展讲解

蓝光光纤激光器的原理及发展

一、前言

蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示(需要蓝绿光构造全色显示、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。在固体激光器中欲获得蓝色激光输出,主要有以下三种方法:

(1利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器;

(2利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频;

(3利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。对于可

见波段的半导体激光二极管(LD,蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料,同时LD的光束质量不尽人意,在许多应用领域受到了限制。由LD泵浦的倍频固体激光器,需要非线性晶体材料进行频率转换,虽然光束质量很好,输出功率也很高,但系统较复杂。

近年来,人们利用发光学中的频率上转换机制,大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料,所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。另外,与稀土掺杂的玻璃和晶体相比,光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。近两年来,国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃,并且其商业化进程也相当迅速。

二、工作原理

蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理,即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时,发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程。蓝光上转换光纤的输出波长一般在450~490nm之间,目前能获得蓝光输出稀土离子主要有

Tm3+,Pr3+两种,但大多数情况下,为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率,往往采

用将Tm3+或者Pr3+离子与Yb3+离子共掺的方式,通过Yb3+离子的敏化作用,利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应, Tm3+/Yb3+共掺和Pr3+/Yb3+共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道的最多。

三、发展历程

频率上转换发光现象最早是在石英介质中发现的,但由于其上转换发光效率低下,且在低温下工作而未引起研究人员的注意。首次获得上转换激光输出是在1971年,当时是由Johnson和Guggenheim[2]在低温下采用氙灯泵浦Ho3+/Yb3+共掺和

Er3+/Yb3+的共掺的BaY2F8晶体分别获得了551nm和670nm上转换激光输出。

八十年代末九十年代初期,当时因为发展长波段通讯曾努力开发氟化

物玻璃光纤,虽然长波通讯并未成功,稀土掺杂的ZBLAN光纤作上转换增益介质,却得到很多有意义的上转换激光结果。ZBLAN光纤中掺杂的稀土离子主要有Pr3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等,其中掺Pr3+或者Pr3+/Yb3+共掺ZBLAN光纤的上转换激光输出在当时报道最多,这是因为Pr3+离子在上转换泵浦机理下可以产生蓝、绿、橙黄、红的多种波段的可见光。1989年Allain等[3]报道了在77K低温下采用647nm和676nm泵浦Tm3+:ZBLAN 光纤中获得455和480nm上转换激光输出,这是首次利用上转换原理在氟化物光纤中获得了可见波段的激光输出。

从此以后室温下的上转换光纤激光输出报道相继增多,并且光纤的基质材料研究多集中在氟化物玻璃的ZBLAN系统上。氟化物玻璃体系之所以成为人们青睐的上转换发光基质材料,是因为具有较低的声子能量,低的声子能量能降低玻璃在泵浦过程中无辐射驰豫的几率,提高稀土离子中间亚稳态能级的荧光寿命,从而有效提高上转换发光的效率。但氟化物玻璃较差的化学稳定性和较低的机械强度为其实际应用带来了一定困难。

第一次蓝光上转换光纤激光输出报道是在1991年,R.G.Smart等人[4]用两台钛宝石激光器同时泵浦Pr3+:ZALAN光纤,在491nm得到了1mW的激光器输出。研究者发现在单掺杂Pr3+离子的情况下,蓝光输出功率往往不高。为了提高上转换发

光效率,90年代中期以后,研究者在掺稀土离子(主要是以Pr3+和Tm3+为主的同时共掺Yb3+作为敏化剂,这样有效地提高了对泵浦光的吸收效率,而且Yb3+离子较宽的吸收带有利于对泵浦源有较大的选择余地。表1给出了90年代期间蓝光光纤激光器的激光输出情况[4-11]。其中,1997年德国Hamburg大学Zellmer等人在

Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纤中获得了375mW的480nm 激光输出,这是迄今报道的最高功率的蓝光光纤激光输出。

九十年代末,包层泵浦技术的发展为上转换光纤激光器的研究提供了新的契机。通过包层泵浦技术可以将泵浦光入纤的耦合效率,从一般的30~50%提高到80%以上,耦合效率的提高增大了上转换蓝绿光的输出功率。目前包层泵浦上转换光纤激光器的研究工作已成为国际上的最新研究热点,它在常规光纤激光器研究工作的基础上,利用频率上转换技术大大扩展了激光器的频率范围,可获得近红外光、可见光乃至更短波长的激光输出。尤其是频率上转换技术目前正应用到极缺蓝和绿激光波段。2002年Zellmer等人[13]用850nm的LD泵浦包层Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纤,获得了2.06W的635nm红光输出,斜率效率为45%,光束质量M2<10,另外,在520nm 绿光波段也获得了340mW激光输出。近两年来国外许多科研院所纷纷加大了对应用于蓝光波段的上转换光纤的研究力度。上转换光纤激光器研究领域目前处于领先地位的是德国,其中德国以Laser Zentrum Hannover研究所为主要代表单位。除此之外,国外一些商业机构也对蓝绿上转换玻璃光纤激光器投入了极大的热情,如法国的Alcatel公司、英国的电信公司、美国SDL公司、和美国加州JDS Uniphase公司等。国内部分高等院校和科研机构(如上海光机所、长春光机所、南开大学、北京师范大学等曾对块状玻璃中上转换发光机理作了不少研究,但未见对上转换双包层玻璃光纤的报道。国内目前还没有上转换光纤激光器产品问世。