中红外光纤激光技术研究进展与展望

中红外激光在通信、遥感、安检和光电对抗等许多领域中都有重要的应用价值,一直以来都是激光领域研究的热点。中红外激光的产生方法有很多,其中光纤中红外激光器具有结构紧凑、光束质量好和转换效率高等特点,故被认为最有希望实现便携、稳定、高效和高功率的中红外激光输出。随着软玻璃光纤制备工艺水平的提升,中红外光纤激光技术获得了快速发展,输出功率水平也得到了很大提升。然而,受限于稀土离子种类、软玻璃光纤制备工艺和软玻璃光纤化学稳定性,基于软玻璃光纤的中红外激光器在功率进一步提升和波长拓展方面存在技术瓶颈,近年出现的中红外光纤气体激光器为此提供了有效的解决方案。

基于光纤结构的中红外激光器主要包括基于掺杂稀土离子的中红外光纤激光器、基于软玻璃光纤的中红外拉曼激光器、中红外超连续谱光纤光源和基于空芯光纤的新型中红外光纤气体激光器等。

麦姆斯咨询报道,近期,国防科技大学前沿交叉学科学院王泽锋教授课题组在《光学学报》期刊上发表了以“中红外光纤激光技术研究进展与展望”为主题的综述文章。王泽锋教授主要从事光纤光栅和新型光纤气体激光器方面的研究工作。

这项研究详细综述了基于光纤结构的中红外激光技术的发展历史与研究进展,主要包括基于稀土离子掺杂的中红外光纤激光器、基于非线性效应的中红外光纤激光器、基于软玻璃光纤的中红外超连续谱激光器和基于空芯光纤的中红外光纤气体激光器等。最后,对中红外光纤激光器的发展趋势进行了展望。

基于稀土离子掺杂的中红外光纤激光器是利用掺杂在纤芯中的稀土离子的受激辐射跃迁产生激光的,在2.8μm以上的波段范围内常用的掺杂离子主要有Er3+ 、Dy3+ 和Ho3+ ,其中Er3+ 的发射带范围为2.6~3.0μm和3.3~3.8μm,Ho3+的发射带范围为2.7~3.05 μm,Dy3+ 的发射带范围为2.6~3.3μm。本研究主要介绍了基于稀土离子掺杂的连续和脉冲中红外光纤激光器的发展历史与研究现状。

中红外稀土掺杂离子能级跃迁示意图
基于Ce3+ 掺杂硫化物中红外光纤激光器结构示意图

掺杂稀土离子的光纤激光器作为输出中红外激光的重要手段之一,近年来在输出功率、效率等方面有重大突破。然而,不可否认掺稀土离子的中红外光纤激光器仍有很多技术难题需要解决:中红外光纤的制备工艺问题、实现中红外输出的掺杂离子有限。

基于非线性效应的中红外光纤激光技术:非线性效应是实现波长由近红外向远红外转换的一种有效途径。光纤光源通常具有较长的作用距离,因此在光纤中实现非线性效应较为容易。其中,受激拉曼散射是最容易实现由近红外波段向中红外(尤其是4μm以上)拓展的有效手段。基于孤子自频移效应的光纤激光器是实现中红外超短脉冲的一种有效途径。

利用拉曼效应实现波长转换可以有效填补目前光纤激光器输出波长的空白,同时可以进一步拓宽输出波长。然而,光纤拉曼激光器对光纤长度和光纤材料有着较高的要求,受到光纤制备工艺的限制,目前可选择的光纤材料种类有限。

中红外超连续谱光纤激光技术:中红外超连续谱光源是利用介质的非线性效应和色散效应共同对激光光谱进行展宽,进而实现宽谱中红外激光输出。目前产生高功率中红外超连续谱的技术方案主要有:1)利用高峰值功率的脉冲泵浦源泵浦非掺杂的软玻璃光纤;2)利用脉冲激光器泵浦掺杂稀土离子的软玻璃光纤。

基于非掺杂软玻璃光纤的方案作为目前产生中红外超连续谱的主要方式,发展相对较为成熟,目前已实现了20W以上的功率输出。

基于充气空芯光纤的中红外激光技术:目前光纤气体激光器主要基于两种方式:1)拉曼效应;2)气体分子的能级吸收跃迁。虽然中红外光纤气体激光器起步较晚,但是随着中红外波段低损耗空芯光纤的发展,光纤气体激光器目前已取得了不错的成果。然而,中红外光纤气体激光器仍有很多难题需要解决:合适的泵浦源很难获得、系统的结构需要进一步优化。

中红外光纤激光器作为最有希望实现便携、稳定和高效的高功率中红外激光产生手段,近年来在输出功率提升、激光波长拓展和系统便携性等方面都取得了重要的进展。相比其他的中红外激光产生方式,其优势在不断凸显。随着民用和军事领域对中红外光纤光源需要的增加,更高效率、更高功率、更长波长和更加便携必然是其发展的主要方向。基于空芯光纤的中红外光纤气体激光器作为一种新型的中红外激光产生手段,与传统的中红外光纤激光技术形成了很好的竞争与互补。相信在未来几年内,中红外光纤光源会得到飞速发展,在实际中得到更广泛的应用。

该项目获得湖南省自然科学基金杰出青年科学基金项目(2019JJ20023)、国家自然科学基金面上项目(11974427,12004431)、脉冲功率激光国家重点实验室主任基金项目(SKL-2020-ZR05,SKL-2021-ZR01)、湖南省科技创新人才计划科技创新领军人才项目(2021RC4027)的支持。该研究第一作者为国防科技大学前沿交叉学科学院崔宇龙。

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