中红外脉冲光纤激光器的研究

摘 要 2 m和3 m中红外波段的脉冲光纤激光光源因其在科研、民用以及军事领域的广泛应用前景，引起了人们极大的研究兴趣。本文主要介绍了中红外脉冲光纤激光器的应用和最新研究进展。最后，对中红外光纤激光器的发展前景进行了展望。

关键词 光纤激光器 中红外光纤激光器 脉冲

中图分类号：TN248.1 文献标识码：A

40年前，掺稀土元素光纤中的受激辐射现象被发现。1985年，英国南安普顿的S.B.Poole等制造了低损耗的单模掺铒光纤。从那以后，光纤激光器开始受到重视，出现了越来越多以石英和氟化物为基底的光纤激光的报告。

1脉冲光纤激光器的特点

以掺杂光纤作为增益介质的脉冲激光器，具有输出功率高、脉宽窄、激光阈值低、输出光束质量好、转换效率高、散热效果好、极好的柔性与灵活性、可设计高可靠性、易于系统集成等显著优点。对于脉冲工作形式的光纤激光器来说，可以在不太高的平均输出功率下获得极高的重复频率和峰值功率，同时保持良好的光束质量，因而它特别适合于车载、机载激光或光电对抗装备、激光测距、激光大气通信设备、激光医疗手术设备等。

2 中红外脉冲光纤激光器的应用

首先在科研领域，中红外超短激光脉冲时间分辨光谱技术，不仅可以用于研究基础物理、压缩物质的化学过程，还是研究窄能隙半导体和超晶格多量子阱带间瞬态光跃迁过程，分子内和分子间的能量转移和解相现象等动力学问题的重要手段。

在民用方面，脉宽在ps甚至fs量级的中红外超短脉冲在光谱检测、环境监测、激光医疗、大气通信等领域有着众多用途。首先，2 m或3 m波段的中红外超短脉冲还可以用于环境监测，因为化学气体对该波段的吸收非常敏感，几乎所有气体分子，在中红外波段都具有很强的吸收峰。其次，生物软组织的主要成分是水，而水在2 m和3 m处分别有一个吸收峰。因此利用它可以进行医学上面的激光微治疗和精确的切割和软组织切除手术，当其作用于皮肤上时能量迅速被组织吸收，导致组织的瞬间汽化分离和精密剥脱，研究表明，2 m和3 m脉冲激光，相对于其他波长激光手术来说，对细胞组织的损伤和伤痕的形成影响较小。

在大气传输领域，2 m波段激光具有大气消光比低的优点，且它对雨和雾有更高的穿透能力，因此2 m脉冲激光也成为激光成像雷达、测量地球大气浓度和温度变化的差分吸收雷达、遥感探测的首选光源。

在军事领域，红外制导预警机和导弹的威胁日趋严重，许多国家的军事机构都在积极研究中红外激光的定向干扰技术。军用侦察卫星、导航卫星和通讯卫星等已成为战场作战行动的重要支援保障系统，而大部分卫星的光电传感器的响应范围为2.5～3.3 m波段，而中红外超短脉冲激光可以在瞬间提供很高的峰值功率足以干扰和损伤这些探测器件。

3中红外脉冲光纤激光器的研究现状

2 m波段脉冲光纤激光器的发展非常迅速，这是因为2 m波段的脉冲光纤激光器主要采用掺Tm3+或Ho3+的石英光纤作为增益介质，而且该波段的无源光纤器件比较成熟，在该波段的锁模脉冲宽度已达到飞秒量级，峰值功率也已达到兆瓦量级。而在3 m波段，目前研究还处于起步阶段，报道也相对较少。这是由于要求使用的光纤具有低的声子能量并在该波段传输损耗较小。传统的光纤激光器的增益介质为掺锗石英光纤和掺磷石英光纤，他们的拉曼频移分别为440cm-1和1330cm-1，并且由于石英材料的声子能量高达1100cm-1。因此它们在波长大于2 m时传输损耗会很大，不能用于制作波长为2 m和3 m的光纤激光器。研究表明氟化物光纤的非线性系数一般为石英光纤的几百倍，其典型的组分为：53mol.%ZrF4（氟化锆），20mol.%BaF2（氟化钡），4mol.%LaF3（氟化镧），4mol.%AlF3（氟化铝）和20mol.%NaF（氟化钠）。这种材料的声子能量小于550cm-1，理论上在波长小于6.0 m的范围内可以实现低损耗（低至10-3dB/km）传输。利用这个特性，ZBLAN光纤可以用于制作2 m和3 m光纤激光器。

目前在2 m波段，掺Tm3+光纤激光器已比较成熟，输出功率已由瓦级上升到百瓦级。

2007年，悉尼大学S.D.Jackson将掺Ho3+石英光纤作为可饱和吸收体与掺Tm3+石英光纤熔接实现了2020nm的掺Tm3+调Q脉冲光纤激光器，其脉冲宽度为1 s，重复频率为110kHz。同一年，美国Spectrode LLC公司等人在就实现了千瓦量级峰值功率的掺Tm3+增益调制脉冲光纤激光器，其中心波长为2000nm，脉宽为10ns，脉冲能量和重复频率分别为12 J和500kHz。

2010年，上海光机所唐玉龙等人实现了中心波长2020nm的增益调制掺Tm3+脉冲光纤激光器，其峰值功率高达138kW，脉宽和重复频率分别为75ns和500Hz。

2013年，厦门大学叶陈春等人利用石墨烯作为可饱和吸收体实现了波长2032nm的高能掺Tm3+调Q脉冲光纤激光器，其脉冲能量高达6.71 J，脉宽和重复频率为3.8 s和45kHz。 （下转第150页）（上接第136页）

在3 m波段，2011年斯洛文尼亚卢布尔雅那大学Martin Gorjan等人通过增益调制的方法实现了掺Er3+ ZBLAN脉冲光纤激光器，其中心波长为2800nm，脉宽为300ns，峰值功率和重复频率分别为68W和100kHz。

2012年，澳大利亚悉尼大学S. D. Jackson等采用TeO2声光晶体实现了Ho3+，Pr3+共掺ZBLAN脉冲光纤激光器，其中心波长为2867nm，脉宽为78ns，峰值功率和重复频率分别为77W和120kHz；美国亚利桑那大学朱秀山等人利用Fe2+：ZnSe晶体实现了掺Er3+ZBLAN调Q脉冲光纤激光器，其中心波长为2780nm，脉宽和重复频率分别为5.8 s和70.4kHz。然后利用Fe2+：SeZn晶体作为可饱和吸收体实现了掺Er3+ZBLAN锁模脉冲光纤激光器，其中心波长为2783nm，脉宽19ps，脉冲能量和重复频率分别为0.56nJ和50MHz。

4展望

目前，3 m左右的ZBLAN中红外光纤激光器正在快速发展，相信不久之后将能达到百瓦量级。但是基于ZBLAN的中红外光纤激光器现阶段大多都要在冷却条件下实现。因此，如何在室温下实现高功率3～5 m的中红外光纤激光输出，是未来一个非常重要的研究方向。

参考文献

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