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掺镱光纤激光器980nm波段很吸引人

来源:光电汇

  发布:Johnny

关键词:光纤激光器 激光加工

2017-11-30

 光纤激光器由于其光束质量好、效率高、体积小、无水冷、可实现全纤化结构等优点,以及其在光通信、光传感、激光加工、医疗等领域的广泛应用,使其近几年来发展十分迅速。与其他掺杂光纤激光器相比,掺镱光纤激光器不存在激发态吸收、浓度淬灭效应、多声子跃迁等激发过程,是目前国际上激光技术研究热点之一。在掺镱光纤激光器中,980 nm波段很吸引人。

  首先,980 nm激光器是掺铒、掺镱光纤激光器和放大器的重要抽运源;

  其次,980 nm波段激光通过晶体倍频可以获得480~490 nm蓝绿光输出,是现有的半导体蓝光激光器、氩离子激光器很好的替代品,是蓝绿光源发展的新趋势。

  本文从三种工作模式(连续光纤振荡器、脉冲光纤振荡器、光纤放大器)出发,对国内外980 nm波段光纤激光器相关研究成果进行综述,简单介绍其实验进展,并对980 nm 光纤激光器的发展进行了展望。

 980 nm掺镱光纤激光器需解决的关键性问题


图1 石英基质中Yb3+能级结构以及其吸收发射截面图

  由镱离子的能级结构分布及其发射谱的两个发射峰可知,其激发可产生980 nm波段的三能级系统和波长范围1010-1080 nm的四能级系统,如图1所示。

  若要使掺镱光纤激光器运转在三能级系统,则需激励大约50%镱离子到上能级实现粒子数反转;而运转在四能级系统时,只需要抽运5%镱离子到上能级,就可以实现激光输出,可以看出其抽运阈值要远小于980 nm波段抽运阈值。其次,由于掺镱光纤中的镱离子在980 nm波段不仅有很高的发射峰而且有高的吸收峰,所以由三能级产生的980 nm激光可作为四能级系统的抽运光源而被吸收。为了解决这两大问题,除了使用高功率、高亮度的抽运光源外,还需要选择合适参数的增益光纤,来获得更高功率980 nm光纤激光器。

  980 nm掺镱光纤激光器研究进展概况

  从20世纪90年代开始,国内外就有科研组对980 nm掺镱光纤激光器进行了深入研究,到现在为止已经有了一定的进展和突破。980 nm光纤激光器按照工作模式可分为以下几类:980 nm连续光纤振荡器、980 nm脉冲光纤振荡器、980 nm光纤放大器。

  980 nm连续光纤振荡器

  对于980 nm掺镱光纤激光器的报道,常见的是以连续方式工作的980 nm光纤激光器。2000年,康宁公司L.A.Zenteno等人采用了1.1 W的946 nm Nd:YAG固体激光器抽运CS980单模光纤,获得最大输出功率655 mW,979.8 nm单模激光输出。虽然单模光纤输出光束近衍射极限,其纤芯直径特别小,一般的抽运光很难注入到纤芯中,导致抽运光吸收效率极低,所以初期的980 nm光纤激光器输出功率还只是毫瓦量级。

  后来出现双包层光纤,抽运光源也发展使用半导体激光器(LD),大大提高了激光器的输出功率。为了保证光纤激光器中更多的抽运光可以被增益光纤所吸收,一些单位也开始研制并使用超大芯径的光子晶体光纤(PCF)作为增益介质,在提高数值孔径和大模场面积的同时,又保证了单模输出,能够承受更高功率的抽运光源,更加适合高功率光纤激光器的发展。

  2008年,德国耶拿大学利用高功率915 nm LD抽运1.2 m大模场棒状掺镱PCF,获得输出功率94 W的980 nm连续激光,如图2所示。这是迄今为止获得980 nm掺镱光纤振荡器的最高输出功率。

图2 980 nm激光器实验装置图

  国内对980 nm连续光纤激光器的研究比较晚,主要研究机构有北京工业大学、国防科学技术大学等单位。

  2011年,北京工业大学本课题组采用30 W的915 nm LD抽运内包层直径分别为170 μm和200 μm掺镱PCF,获得输出功率分别为1.24 W和1.1 W的980 nm连续激光。

  2013年,国防科学技术大学采用24.5 W的915 nm LD抽运双包层掺镱光纤,最终获得1.73 W的977.4 nm激光输出,如图3所示。高功率抽运激光器以及大芯包比的增益光纤更加有利于获得980 nm激光输出。

图3 980 nm全光纤激光器实验图

  2015年,中国工程物理研究院利用双包层掺镱光纤作为增益介质,获得最大输出功率16.7 W的981.7 nm激光。

  通过上述工作我们发现在掺镱光纤中,可以通过选择合适长度、合适芯包比的增益光纤来实现有效的抑制四能级起振,保证三能级正常运转。而且随着光纤耦合输出的抽运激光器、光纤光栅、带通滤波器等实验器件的出现,使980 nm连续光纤激光器结构实现了全纤化结构,但是国内在连续980 nm光纤振荡器方面输出功率还是比较低,更好地提高激光输出功率是在以后发展中需要关注的问题。

  980 nm脉冲光纤振荡器

  与连续光纤激光器相比较,脉冲光纤激光器能将振荡腔内存储的能量在很短的时间内释放出来,在生物成像、高速光纤通信、微机械加工等领域更能满足实际应用的需求。其中调Q和锁模是得到980 nm脉冲激光 两种最常用的技术。

  调Q技术也叫作Q开关技术,是一种获得高峰值功率、窄脉宽激光脉冲的技术,通常可以将脉冲宽度压缩至纳秒量级,峰值功率可达到106 W以上。锁模作为一种新的压缩脉宽的途径,又被称为超短脉冲技术,通常可以将激光输出脉冲的宽度压缩至皮秒甚至飞秒量级,峰值功率可达到1012 W 以上。

  按照工作原理,锁模分为主动锁模、被动锁模等多种形式。近年来,采用被动锁模技术研发的光纤激光器因为价格低廉、结构紧凑等优势,性能也可以和固体激光器相媲美,在皮秒级和飞秒级光源上都得到了广泛的应用。

  自1986年Alcock等首次将调Q技术应用到光纤激光器以来,调Q光纤激光器就引起了广泛关注。国内外对980 nm调Q光纤激光器的报道比较少,而国内对此方向的研究则出现较晚。

  2013年,中科院上海光机所使用60 W的915 nm LD抽运非保偏大模场掺镱双包层棒状PCF,通过控制Q开关,获得稳定978 nm脉冲序列,其中脉宽9 ns,单脉冲能量120 μJ,峰值功率130 kW,如图4所示。该实验装置中采用后向抽运方式,改变增益光纤反转粒子数分布,提高978 nm增益,达到抑制四能级寄生振荡的目的。

图4 978 nm短脉冲调Q光纤振荡器实验装置图

  光纤激光器中形成锁模的方式很多,可以通过在谐振腔内插入半导体可饱和吸收体,或者利用光纤本身的特性来实现锁模输出。

  2011年,法国波尔多大学科研组J Lhermite等人报道了500 nJ的全正色散976 nm光纤振荡器,实验中利用半导体可饱和吸收镜(SESAM)实现锁模输出,如图5所示,最大平均输出功率为4.2 W,脉冲宽度24 ps。

图5 976 nm锁模光纤激光器示意图

  上述报道的980 nm波段锁模光纤激光器,系统是空间结构,耦合效率低,结构稳定性不好,会对激光器输出指标有限制。为了确保系统稳定运行,器件间的连接方式最好是通过光纤熔接来实现的。相较之下,全光纤锁模振荡器会解决这些问题,提高系统的稳定性,更加适合实际的应用需求。

  2014年,北京工业大学本课题组报道了一台980 nm全光纤NPR锁模掺镱光纤振荡器,如图6所示,最终获得平均输出功率26.1 mW,脉冲宽度159.48 ps,单脉冲能量1.28 nJ。

图6 980 nm全光纤锁模激光器

  980 nm光纤放大器

  在激光应用的某些领域中,需要高功率、高能量的激光,只靠振荡器来实现是有一定困难的。尽管通过脉冲激光器可获得高峰值功率,也未必可以满足实际应用需求。一种简单的方法就是采用光纤放大器来实现高脉冲能量、高功率激光输出。

  在连续光纤放大器中,国内外的研究机构分别使用不同种类的增益光纤,系统结构也从初期的空间耦合结构发展到后来的全光纤结构,虽然平均输出功率现在还达不到高功率,但是随着种子光源和抽运光源功率的提高,以及其他光纤器件的发展,以后会获得更高功率连续980 nm光纤放大器。

  2004年,英国南安普顿大学DBS Soh等人首次报道980nm掺镱光纤放大器,应用主振荡放大(MOPA)技术后获得4.3 W 977 nm连续激光,线宽0.2 nm。国内对980 nm光纤放大器也有一定的研究。2014年,国防科技大学首次报道980 nm全光纤掺镱双包层光纤放大器,最大输出功率为6.22 W。

  在980 nm脉冲光纤放大器方面,2011年,法国波尔多大学Guillaume Machinet等人,以一个脉宽2 ps,单脉冲能量10 nJ的全正色散976 nm被动锁模光纤振荡器作为种子源,经放大后获得激光脉冲的平均输出功率为40 W,峰值功率640 kW,单脉冲能量1 μJ,脉冲宽度1.56 ps。

  国内对980 nm脉冲光纤放大器研究相对较少。2016年,本课题组报道了980 nm全光纤SESAM锁模放大器,采用两级MOPA放大机制后,获得最大输出功率为740 mW,重频200 ps,线宽0.29 nm。

  总结:

      980 nm光纤激光器要走向实用化,还面临着光纤制备工艺提高、抽运功率提升、实现全纤化结构等方面的挑战。对于980 nm脉冲光纤激光器,新兴的二维新材料(拓扑绝缘体、石墨烯、二硫化钼等)已经在其他波段实现稳定锁模,希望以后也能在980 nm波段获得更好的成果。

作者:北京工业大学激光工程研究院 李平雪、张月