1 引言

目前,中红外波段光纤激光器是激光技术领域的研究热点。采用掺铒离子和掺钬离子的氟化物光纤(ZBLAN),可以实现3 μm波段光纤激光输出^[1]。由于稀土离子能级结构存在差异,掺铒氟化物光纤的中红外荧光谱主要覆盖2.70~2.83 μm波段,而掺钬氟化物光纤的中红外荧光谱主要覆盖2.83~2.95 μm波段,所以掺钬氟化物光纤激光器更适合于实现长波中红外激光输出^[2-7]。目前,中红外掺钬光纤激光器已经实现了光谱调谐,主、被动调Q以及锁模脉冲输出^[8-14]。公开报道的红外掺钬光纤激光器,最高平均输出功率为7.2 W^[14]。

较早的3 μm波段掺钬光纤激光器采用1100 nm波段掺镱光纤激光作为抽运源。但由于该抽运光波长偏离钬离子的吸收谱峰(1150 nm附近),抽运光的利用率较低。近年来报道的中红外掺钬光纤激光器主要采用1150 nm半导体激光器(LD)作为抽运源^[8-13]。然而,1150 nm LD性能并未像976 nm LD那样成熟,其最大输出功率仅为3 W,从而在一定程度上制约了中红外掺钬光纤激光器的功率提升。

随着光纤激光技术的发展,利用级联拉曼效应已经实现1150 nm 波段的高功率光纤激光输出。文献[ 14]采用1150 nm级联拉曼光纤激光器作为抽运源。但级联拉曼光纤激光器结构相对复杂,光学转换效率也相对较低。另外,也通过直接激光振荡的方式来实现1150 nm 波段光纤激光输出。采用该方式的1150 nm光纤激光器系统结构简单,光学效率也较高^[15]。在前期工作中研究了基于掺镱光纤直接振荡的1150 nm光纤激光输出,在室温下实现了高功率全光纤化1150 nm单模光纤激光输出^[16-17]。相关成果为开展3 μm波段中红外掺钬光纤激光技术研究奠定了较好的基础。

本文报道了一台线型腔中红外掺钬氟化物光纤激光器。该激光器采用自行搭建的全光纤化1150 nm光纤激光器作为抽运源,双包层钬镨共掺氟化物光纤作为增益介质,实现了室温下百毫瓦级的3 μm波段中红外光纤激光输出。并对激光器的输出特性进行了详细研究。相关成果对后续研制高功率中红外掺钬光纤激光器具有一定的参考价值。

2 实验原理

以1150 nm波段激光器作为抽运源,利用钬离子的⁵I₆能级到⁵I₇能级的受激辐射跃迁,可以产生3 μm波段的激光输出。但是,钬离子激光低能级⁵I₇的寿命(τ₁=12 ms)高于激光高能级⁵I₆的寿命 (τ₂=3.5 ms),因此会导致⁵I₆→⁵I₇的激光能级跃迁自终止^[1]。也就是说,从上能级⁵I₆向下跃迁到⁵I₇能级后,粒子将较长时间处在下能级⁵I₇,不利于形成粒子数反转。为克服⁵I₆→⁵I₇激光能级跃迁自终止,实现粒子数反转,通常有3种方法:1)利用高掺杂浓度光纤中相邻钬离子间⁵I₇能级的能量上转换过程消耗该能级粒子数;2)使钬离子实现从⁵I₆能级到⁵I₇能级再到⁵I₈能级的级联受激辐射跃迁,同时实现3 μm和2 μm波段双波长激射。2 μm波段激光振荡消耗了⁵I₇能级的粒子,使3 μm波段激光高效振荡;3)与镨离子等敏化离子共掺,利用稀土离子间的能量转移过程(ET)降低⁵I₇能级粒子数。然而,高浓度掺杂法需要使用高掺杂浓度的单掺钬光纤,目前商品化的单掺钬光纤的钬离子掺杂浓度相对较低,不利于形成能量上转换过程。级联激射法需要实现双波长的激光振荡,系统结构复杂。基于目前市场上的钬镨共掺光纤产品,因此敏化离子共掺法比较简单可行。本文研究即采用钬镨共掺双包层光纤作为激光增益介质。

图 1. 中红外掺钬光纤激光器装置结构图

Fig. 1. Experimental setup of the mid-infrared Ho-doped fiber laser

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3 实验装置

图1为所搭建的中红外掺钬氟化物光纤激光器的实验装置结构示意图。该激光器采用空间耦合结构;抽运源为自行搭建的全光纤化1150 nm光纤激光器;增益介质是一段长4.5 m 公司生产的双包层钬镨共掺氟化物光纤(ZDF-10/125,Fiberlab公司,日本),其内包层为八边形,内径为125 μm,纤芯直径为10 μm,纤芯数值孔径为0.2。钬离子和镨离子的掺杂原子数分数分别为3%和0.25%。增益光纤在1150 nm波长处的包层吸收系数为2 dB/m。对增益光纤的一端进行零度角切割,另一端进行8°角切割。抽运光经非球面透镜L1 (f=15.29 mm) 准直和L2 (f=18.4 mm) 会聚后,再经45°角放置的双色镜DM (1150 nm高透,透过率 T>93%;2.8 μm高反,反射率R>95%),然后经过切割角度为0°的光纤端面耦合进入到增益光纤中。镀金全反镜M与切割角度为零度的光纤端面构成线型谐振腔。8°角切割的光纤端面可有效消除光纤端面回光,抑制激光寄生振荡。DM则将从光纤端面出射的中红外波段激光与抽运光进行分离输出。

实验中采用功率计(UP19K-50L-H5,Gentec公司,美国)和光谱仪(Shamrock 750,Andor公司,英国)对所搭建的中红外光纤激光器的输出功率和输出光谱进行了测量。

4 实验结果与讨论

实验中全光纤化1150 nm抽运光纤激光器的最大输出功率为12.7 W。在最大功率时的输出光谱特性如图2所示,中心波长为1150.48 nm,光谱的半峰全宽(FWMH)为0.45 nm^[17]。

首先研究中红外掺钬光纤激光器的功率输出特性曲线,如图3所示。当抽运激光器的输出功率为80 mW时,中红外掺钬光纤激光器开始出光。随着抽运功率的增加,中红外掺钬光纤激光器的输出功率也呈线性增加。在抽运功率为1.43 W时,其输出功率达到115 mW。此时,激光器系统的光-光转换效率为8.0%,该指标与现有文献报道的结果尚有差距。这主要是由于此激光器的抽运光耦合系统以及增益光纤长度未进行过优化导致的。图3所示激光器的功率输出曲线并未显示出现功率饱和趋势,说明如果继续增加抽运功率,该激光器还能够实现更高功率输出。但是,氟化物光纤端面极易受到热损伤^[18],如果抽运光耦合效率较低,未耦合进增益光纤的抽运光就会在光纤端面累积生热。出于激光器系统的安全考虑,实验尚未进一步增加抽运功率。

图 2. 最大功率时1150 nm光纤激光器的输出光谱

Fig. 2. Spectrum of the 1150 nm fiber laser under the maximum output power

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图 3. 中红外掺钬光纤激光器功率输出曲线

Fig. 3. Output power curve of the mid-infrared Ho-doped fiber laser

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图 4. 中红外掺钬光纤激光器在不同功率水平下的光谱特性

Fig. 4. Output spectrum of the mid-infrared Ho-doped fiber laser under different powers

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然后,对中红外掺钬光纤激光器的光谱输出特性进行了研究。不同功率水平下的中红外掺钬光纤激光器的输出光谱如图4所示。当抽运功率为1.07 W时,激光器输出光谱的中心波长为2866.5 nm,处于掺钬氟化物光纤自发辐射谱的峰值附近。其主要原因是构成谐振腔的镀金全反镜与切割角度为0°的光纤端面均不具有波长选择性,所以中红外掺钬光纤激光器工作在自由运转状态。随着功率水平的增加,由于增益光纤的重吸收效应,激光器输出光谱的中心波长逐渐红移。并且,随着功率水平的增加,激光器的输出光谱也逐渐加宽,如图4(a)~(c)所示。在最大功率水平下,激光器输出光谱的FWHM为1.3 nm。本实验采用的双包层光纤的纤芯直径为10 μm,纤芯数值孔径为0.2,其单模截止波长为2610 nm。所以该中红外光纤激光器的输出应为基模激光,这有利于后续应用。

实验搭建的光纤激光器的输出光谱特性较好,但是其光-光转换效率为8.0%,与公开报道的结果还有一定的差距。后续可通过合理选择实验装置中L1和L2的类型和焦距,优化增益光纤长度等来提高抽运光的转换效率。实验结果验证了1150 nm光纤激光振荡器作为中红外掺钬光纤激光抽运源的可行性。未来将在中红外掺钬光纤激光器的功率提升、光谱调谐、脉冲输出等方面开展相关研究工作。

5 结论

搭建了一台线型腔中红外掺钬光纤激光器,该激光器采用自行研制的1150 nm光纤激光振荡器作为抽运源,增益介质为双包层钬镨共掺氟化物光纤,实现了中红外波段掺钬光纤激光器出光。当1150 nm抽运激光器功率为1.43 W时,中红外波段掺钬光纤激光器输出功率为115 mW,对应的光-光转换效率为8.0%;在最大功率输出时,激光中心波长为2868.4 nm,输出光谱的FWHM为1.3 nm。采用1150 nm光纤激光振荡器作为中红外掺钬光纤激光器的抽运光源,结合相关的光纤光栅刻写技术、光纤后处理技术以及不断发展的光纤器件制备工艺,有望研制高功率全光纤化中红外掺钬光纤激光器。