中紅外2.8 μm波段光纖激光器在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途和潛力，它在醫(yī)療、軍事、氣體檢測(cè)等領(lǐng)域已得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用，如在醫(yī)療領(lǐng)域，中紅外激光手術(shù)刀因具有非接觸性質(zhì)和覆蓋水吸收峰，在2.8 μm波段，脂類和蛋白質(zhì)具有強(qiáng)吸收截面，有助于手術(shù)過程中的凝血和提高手術(shù)精度；在軍事領(lǐng)域，2.8 μm波段光纖激光器可用于激光指揮與控制、瞄準(zhǔn)與測(cè)距、激光雷達(dá)、防御性激光武器和光學(xué)通信等多個(gè)方面；在氣體檢測(cè)領(lǐng)域，2.8 μm波段光纖激光器可用于檢測(cè)和分析特定氣體的吸收譜線。

隨著稀土摻雜離子氟化物光纖的快速發(fā)展，2.8 μm-3.5 μm波段的中紅外光纖激光器已經(jīng)陸續(xù)實(shí)現(xiàn)成功開發(fā)。這些中紅外波段光纖激光器所產(chǎn)生的連續(xù)光輸出，主要源自于光纖中的不同稀土離子，如Er3+、Ho3+/Pr3+以及Dy3+離子的電子躍遷過程。與石英光纖相比，氟化物光纖在中紅外波長區(qū)域（超過2 μm）具有更高的光傳輸率。稀土的某些能級(jí)與玻璃中的摻雜離子相比，氟化物玻璃中的摻雜離子也表現(xiàn)出較長的壽命。隨著摻雜稀土離子ZBLAN光纖的快速發(fā)展，2.8 μm波段光纖激光器研究也得到了飛快的進(jìn)展。

這個(gè)波段的激光通常是基于Er3+、Ho3+/Pr3+和Dy3+躍遷激發(fā)而實(shí)現(xiàn)的。2.8 μm光纖激光器的發(fā)展受益于激光器技術(shù)的進(jìn)步、光纖技術(shù)的發(fā)展。新型的激光器設(shè)計(jì)、材料的選擇以及新型光纖材料和結(jié)構(gòu)改進(jìn)了光纖的傳輸特性，使得2.8 μm波段的激光器能夠具備更高的功率和更好的光束質(zhì)量。通過改變氟化物光纖摻雜離子的種類和濃度，鎖模氟化物光纖激光器能夠?qū)崿F(xiàn)不同波長的中紅外超短激光輸出。

半導(dǎo)體可飽和吸收鏡和二維材料作為Er：ZBLAN光纖鎖模器件產(chǎn)生的鎖模脈沖寬度大多在ps量級(jí)。直到2015年，S. Duval課題組成功實(shí)現(xiàn)了2.8 μm波段的飛秒鎖模脈沖，采用的增益介質(zhì)為Er：ZBLAN光纖，并利用非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)作為鎖模方法，最終獲得的脈沖寬度為207 fs[1]。非線性偏振旋轉(zhuǎn)技術(shù)在摻鉺氟化物光纖激光器中的成功使得2.8 μm波段的鎖模脈沖首次達(dá)到飛秒量級(jí)，這個(gè)飛秒脈沖的產(chǎn)生可以歸因于非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模的超快響應(yīng)時(shí)間以及孤子整形效應(yīng)的共同作用。

奧創(chuàng)光子積極布局了醫(yī)療和氣體檢測(cè)領(lǐng)域的中紅外飛秒激光應(yīng)用技術(shù)預(yù)研，重點(diǎn)發(fā)展2.8 μm光纖飛秒激光器。該新型光源在摻Er3+的ZBLAN光纖的材料基礎(chǔ)上，采用非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模技術(shù)產(chǎn)生2.8 μm寬譜種子脈沖；隨后經(jīng)過兩級(jí)光纖放大器，提升平均功率到瓦級(jí)；脈沖的時(shí)域壓縮通過光纖的材料色散在脈沖放大過程中同時(shí)完成色散補(bǔ)償，獲得飛秒脈寬。

預(yù)研實(shí)驗(yàn)中使用的6 mol%摻Er3+的ZBLAN光纖，其纖芯直徑為19.2±0.3 um（NA=0.12），內(nèi)包層直徑為249±5 um（NA=0.5），外包層直徑為475±7 um。ZBLAN光纖的端面處理需要特殊方法，因?yàn)槠淙犴g性差且脆弱，無法像普通石英光纖一樣使用剝線鉗進(jìn)行剝離；在處理ZBLAN光纖時(shí)，首先需要?jiǎng)冸x涂覆層，而這一步驟只能采用化學(xué)腐蝕法，實(shí)驗(yàn)中選用二氯甲烷作為化學(xué)溶劑浸泡光纖，使涂覆層軟化后剝除。

ZBLAN光纖具有熔點(diǎn)較低的特點(diǎn)，對(duì)該光纖的熔接工藝尚未高度成熟，因此選擇了空間耦合的方式對(duì)增益光纖進(jìn)行泵浦。采用980nm的泵浦激光器尾纖具有105 μm的直徑和0.22的數(shù)值孔徑，能夠提供的最高輸出功率為9W，經(jīng)準(zhǔn)直和聚焦，進(jìn)而高效耦合進(jìn)ZBLAN光纖。所選用的用于準(zhǔn)直的CaF2平凸透鏡焦距為18 mm，聚焦透鏡焦距為26 mm，光纖纖芯直徑為19.2 μm，數(shù)值孔徑為0.12，計(jì)算可知，經(jīng)過聚焦后的光束和纖芯的數(shù)值孔徑匹配且聚焦光斑小于纖芯直徑。

非線性偏振旋轉(zhuǎn)鎖模Er: ZBLAN光纖激光器（圖 1）由 980 nm 激光二極管 (LD) 泵浦，由平凸透鏡L1和非球面透鏡L2組成的透鏡組用于將泵浦光耦合到增益光纖，光纖的兩端均進(jìn)行8°角切割以抑制寄生振蕩。人工可飽和吸收器由半波片、四分之一波片和偏振相關(guān)隔離器組成。為了降低鎖模閾值，腔內(nèi)脈沖沿泵浦光方向傳播，因?yàn)楫?dāng)腔內(nèi)脈沖順著泵浦光方向傳播時(shí)，它能夠迅速地被放大，從而更容易積累非線性相移，以便鎖模狀態(tài)的啟動(dòng)。裝置中的鍺板用于脈沖從增益光纖后的40% 輸出耦合器 (OC) 輸出平均功率110mW，重復(fù)頻率55MHz，光譜寬度11nm。

圖1  NPR 鎖模 Er: ZBLAN 光纖激光器的實(shí)驗(yàn)裝置

單模Er: ZBLAN光纖由于纖芯尺寸小而導(dǎo)致的較大的光纖非線性是提高輸出功率的關(guān)鍵障礙。LMA Er: ZBLAN光纖是一種直接削弱光纖非線性的方法，它可以減少非線性相移的積累，從而避免飛秒脈沖在放大過程中的時(shí)間畸變，此外，芯徑越大光纖的損傷閾值越高。

因此，在構(gòu)建的單模Er: ZBLAN光纖鎖模振蕩器的基礎(chǔ)上，建立了一種高功率飛秒MOPA激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由單模Er: ZBLAN光纖鎖模振蕩器和預(yù)放大裝置以及LMA Er: ZBLAN光纖主放大器組成。預(yù)放大裝置（如圖2所示），信號(hào)光穿過另一個(gè)偏振相關(guān)隔離器，以防止放大器中的后向反射破壞鎖模振蕩器的穩(wěn)定性。由于圓偏振光的有效非線性系數(shù)比線偏振低，在放大器之前插入四分之一波片和半波片以調(diào)整信號(hào)脈沖的偏振，通過改變輸入極化提高氟化物光纖放大器的拉曼閾值。增益光纖與振蕩器光纖型號(hào)相同，長度為3 m。輸入光纖端以 8°角切割，增益光纖由多模 980 nm LD 反向泵浦。但是單模Er: ZBLAN光纖由于纖芯尺寸小而導(dǎo)致拉曼效應(yīng)，該級(jí)放大器輸出功率為450mW。

圖2  預(yù)放大激光系統(tǒng)示意圖。DM：二色鏡，OC：輸出鏡，ISO：隔離器，LD：激光二極管，λ/2：半波片，λ/4：四分之一波片，L：透鏡，GM：金鏡

為了進(jìn)一步獲得跟高功率的輸出，利用LMA Er: ZBLAN光纖作為主放大器增益介質(zhì)，如圖3所示。在主放大器中，增益光纖采用4 m長6%雙包層LMA Er: ZBLAN光纖，芯徑30 μm (NA = 0.12)，內(nèi)包層直徑300 μm（NA = 0.51）。為了降低增益光纖后端的最高溫度，采用了雙端泵浦方案，使光纖兩端都能分擔(dān)泵浦的熱負(fù)荷。在9W泵浦功率下，放大輸出1.55W。

圖3  主放大激光系統(tǒng)示意圖

在2.8 μm波長處，激光器腔內(nèi)氟化物光纖的群速度色散參量β2=-0.086 ps2/m，由于自相位調(diào)制引起的放大器光譜展寬，在此過程中引入了顯著的正啁啾，同時(shí)摻鉺ZBLAN光纖在中紅外波段具有負(fù)色散，引入的負(fù)色散補(bǔ)償了正啁啾，導(dǎo)致脈沖被壓縮，該技術(shù)基于絕熱孤子壓縮，在負(fù)色散光纖放大器中，適當(dāng)選擇合適的條件可以發(fā)生該壓縮。它的主要優(yōu)點(diǎn)是可以直接在光纖放大器輸出端實(shí)現(xiàn)高能量和超短脈沖，而無需使用任何外部脈沖壓縮器件。最終輸出的飛秒脈沖自相關(guān)曲線如圖4，脈寬380fs。下一階段擬通過優(yōu)化各級(jí)光纖放大器的光纖長度和增益，以期獲得更窄的脈寬。

圖4  最終輸出2.8μm放大脈沖的自相關(guān)曲線

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轉(zhuǎn)自：奧創(chuàng)光子

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