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3~5 μm红外光纤激光的关键器件介绍

发布时间:2021/8/30

3~5 μm中红外激光处于大气窗口波段,是众多分子的指纹光谱区,而且在3 μm波长附近对应水的强吸收峰,这个波段的激光可广泛应用于测距和远程遥感、吸收光谱学、医疗健康、大气通信、聚合物材料加工、红外对抗以及基础科学等研究领域和国民经济领域。常见的中红外激光产生技术有量子级联激光技术、光学参量振荡技术和光纤激光技术。量子级联激光器目前的输出功率低,尚不能满足中红外波段的一些实际应用要求。光参量振荡技术光路复杂,抗环境干扰能力差。中红外光纤激光器具有光束质量高、光电转换效率高、散热性能好、有望全光纤化等优点因而备受关注。

近年来一些关键器件的进展。

光纤光栅

光纤光栅是中红外光纤激光器的关键器件,掌握与之相关的光栅刻写技术,有助于实现全光纤激光以及腔内集成色散补偿。报道的制备方法有飞秒激光相位掩膜、飞秒逐点、飞秒激光逐点扫描等。

2006年,加拿大通信研究中心的Grobnic等[1]首次利用ZBLAN光纤中的800nm飞秒激光结合相位掩模技术实现了ZBLAN光纤的FBG刻写。在2013年,悉尼大学和拉瓦尔大学分别研究了飞秒激光引起氟化物光纤折射率变化的机理[2,3]。

与传统的相位掩模法相比,飞秒激光直写具有更大的灵活性。在悉尼大学首次采用飞秒激光逐点法,在ZBLAN光纤上刻写出中心波长2913nm的FBG[4]。2018年,麦考瑞大学在ZBLAN光纤中,采用三重叠印技术和高温退火技术,制备出了具有高反射率达99.6%、3dB带宽为0.62nm的ZBLAN光纤,并在150℃退火6h后反射中心波长2893.8nm,反射率为99.98%,3dB带宽为1.08nm[5]。

同一年,大坂大学采用实时监测的方式,在双包层内掺有Er3+:ZBLAN光纤,中心波长为2799.3nm,反射率为97%。2018年,拉瓦尔大学通过掺有Er3+:ZBLAN光纤双包层法,采用飞秒激光相位掩膜法刻写了中心波长3552nm的光纤光栅对[7],其中高反光栅和低反光栅分别为90%和30%。2020年,麦考瑞大学在InF3光纤中刻写了一个中心波长为4微米、反射率大于95%的FBG,刻栅周期为2.07μm,这对推动高功率全光纤激光器具的发展具有重要意义[8,9]。

图1

图1. 实时监测逐面刻写中红外光栅 (a)刻写装置示意图(b)光栅反射谱图

泵浦耦合器

2019年,日本三星钻石工业公司首次研制出一种氟化物光纤耦合器,其制备方法采用“侧抛+焊接”技术[10],先用研磨机加工成一定斜角进行耦合,再将双包层掺Er:ZBLAN光纤去除涂覆后,在包层侧面做抛光处理,然后将氟化物光纤端面与双包层光纤进行耦合,再用CO2激光器将连接处紧密焊接在一起,从而使耦合效率达到83%。

2020年,拉瓦尔大学推出了一种新型侧壁泵浦耦合器,耦合效率达93%,结合水冷技术,当泵浦源超过96W时,可以使用[11]。在制作上,将抽运光的熔石英多模尾纤(具有105/125μm的包层直径105/125μm)用一段无芯光纤熔接,将无芯光纤拉锥,过渡区的长度为40mm,锥区的长度为30μm。

将圆锥区域缠绕在双包层型ZBLAN光纤上,通过衰减场耦合进入包层内,实现无需焊接的高效、高功率耦合,从而实现全光纤化中红外光放大器。

纤维端盖

光纤端盖可以把光纤激光器的应用扩展到更大的功率范围。因为光纤的直径很小,极高的功率密度会烧焦和破坏端面,用光纤端帽可以有效地避免这些影响,端帽内的光束会散开,从而大大降低玻璃/空气界面处的功率密度。光纤端帽技术对于易潮解的氟化物光纤,有利于氟化物光纤端面与外界水汽完全隔离,可以有效地保护光纤端面的损坏。

2018年,拉瓦尔大学分别在氟化物光纤端面制备了ZrF4、AlF3、GeO2、SiO2、Er:YAG和Al2O3,采用20W@3dm的激光连续测试小时,实验中基于氧化物的光纤端帽都通过了测试,但也存在着长时间工作后端帽输出面温度升高的问题[12]。因此,研究人员进一步利用磁控溅射法将Si3N4薄膜制成一层光纤端盖,以Al2O3端盖为例,在相同测试条件下连续运行100个小时,Si3N4薄膜均未发生温度升高。

2.研制过程的进展

近几年我国对中红外光纤激光技术越来越重视,对中红外光纤、核芯器件制备、大能量超短脉冲产生的关键技术给予了重点资助。

关于光纤的制备,2020年,哈尔滨工程大学报道了自制的大马士革AlF3光纤,实现了2.9μm激光的斜率效率10.4%[13]。2019年,吉林大学研制出一种掺杂Er3+:InF3光纤,发射截面为3×10-26μm,ASE增益可覆盖3.1~3.85μm[14]。

对于脉冲激光的产生,上海交大研究组2020年利用Er3+:ZBLAN光纤与NPE技术实现了131fs的锁模脉冲产生,其输出功率和重复频率分别为317mW和107MHz[15]。本系统还实现了呼吸子脉冲产生,脉宽215fs,脉冲能量9.3nJ,峰值功率43.3kW[16]。2020年,成都电子科大研究组,采用掺杂了Er3+:ZBLAN光纤和NPE技术,获得了可调谐孤子锁模脉冲,其调谐范围为2752.4nm至2807.2nm,脉冲宽度为199fs[17]。该组还在3.46微米的掺杂Er3+:ZBLAN光纤的瓦量级增益调制光纤激光器[18]。

同时,深圳大学激光工程重点实验室还在大芯径氟化物光纤上制备了在3微米波段反射率超过99%的光纤光栅,实现了光纤端帽、氟化物跳线等中红外光纤器件的自主开发,在此基础上实现了中心波长2826nm的20W连续激光。

3.总结

我国在中红外光纤激光技术方面,总体发展已呈现闭环态势,尤其期待高性能氟纤维能够尽快取代法国LeVerreFluore和日本Fiberlabs公司的产品。全光纤化”可显著提高激光运行的稳定性、可靠性和小型化,随着中红外光纤、光栅、泵浦耦合器等底层核心器件的发展,更有利于全光纤化的激光系统架构,这是中红外光纤激光技术走向应用的必然趋势。

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