【資訊】 中國光學進展 | 900 nm波段摻釹激光光纖

　　1、背景

　　近紅外激光在激光通信、材料加工及強場物理等領域具有重要應用。近年來，位于近紅外900 nm波段的激光器受到越來越多的研究關注。一方面，～900 nm激光可應用于泵浦摻Yb3+激光材料、大氣探測和生物醫療。更重要的是～900 nm激光可以倍頻產生～450 nm深藍激光，在深海通信、激光存儲、激光顯示、原子物理等領域具有重要應用前景。

　　目前，研究者們主要通過半導體激光器、固體激光器和摻釹光纖激光器獲得～900 nm激光。基于摻釹石英光纖激光器可實現小型輕量化、波長連續可調、光束質量高的?900 nm激光，近年來得到較多的研究關注。但通常摻Nd3+激光材料的主要發射位于~1060 nm，這導致?900 nm激光效率低下且極易產生~1060 nm自發輻射，強烈限制了其輸出功率和應用。

　　2、研究現狀

　　(1)

　　為了獲得純凈的?900 nm光纖激光，此前研究者們主要采取濾除纖芯的~1060 nm發光的方式。主要手段包括：

　　a)基于空間元件的光譜濾波：在光路中引入濾除～1060 nm光而保留～900 nm光的帶通濾波片或者二向色鏡，從而抑制~1060 nm寄生振蕩。

　　b)引入彎曲損耗：由于波導色散的作用，長波光在光纖中的傳播路徑更接近纖芯的邊緣，當光纖彎曲時，靠近纖芯邊緣的長波光有更高的概率逸出纖芯。因此通過引入彎曲損耗，可抑制～1060 nm寄生振蕩。

　　c)基于光纖波導的光譜濾波：通過設計W型光纖或光子帶隙光纖，使得光纖在～1060 nm附近的傳輸損耗遠大于在?900 nm附近損耗，從而抑制~1060 nm寄生振蕩。

　　在同一個?900 nm光纖激光系統中往往需要聯合使用這些方案以達到更好的抑制效果。但基于這些方案的全光纖化～900 nm光纖激光功率記錄仍然處于很低的水平(< 3 W)。

　　(2)

　　a)低溫運轉：摻釹光纖～900 nm躍遷為三能級系統，低溫冷卻可降低基態能級熱布居，使三能級躍遷轉變為準四能級系統，有助于縮小與～1060 nm四能級躍遷之間的增益差，從而利于獲得?900 nm激光。但復雜的低溫系統缺乏實用性，而在摻釹光纖中有更多有效而實用的抑制～1060 nm寄生振蕩的方案，采取該方案的～900 nm光纖激光研究近年鮮有報道。

　　b)纖芯材料設計：摻釹石英玻璃的發光性質與Nd3+配位結構密切相關，通過Judd-Ofelt 理論分析，可調整Nd3+離子的配位環境提高摻釹石英玻璃～900 nm熒光分支比，從根本上解決躍遷競爭的問題。

　　圖1 Nd:YAG中4F3/2 → 4IJ躍遷熒光分支比與X的關系

　　3、課題組研究進展

　　本文介紹了本課題組提出的主動式增強～900 nm發光的方案及在～900 nm光纖激光研究方面取得的進展。詳述了通過改變石英玻璃中Nd3+離子的配位環境提高～900 nm熒光分支比的理論基礎及實驗方法。利用該方案制備的摻釹石英玻璃～900 nm發射強度反轉超過～1060 nm發光強度，拉制的光纖在全光纖化結構中實現了113.5 W的～900 nm高功率激光輸出，比此前的全光纖化～900 nm光纖激光功率記錄高兩個數量級。

　　圖2 摻釹石英玻璃的光譜特性。(a) 引入不同陰離子的摻釹石英玻璃的光致發光光譜;(b) 4F3/2能級到各激光下能級的積分熒光強度(所有的積分熒光強度為相對各自～1060 nm積分強度的相對值);(c) 引入碘的摻釹石英玻璃及商用摻釹激光材料的光致發光光譜;(d) 引入不同陰離子的摻釹石英玻璃及商用摻釹激光材料的發光衰減譜及熒光壽命

　　該方案為～900 nm激光的研發提供了新思路，同時有望應用于其他稀土摻雜激光材料的光譜調控。進一步采用該類光纖獲得了全光纖化920 nm高重頻超短脈沖激光、890 nm及910 nm 單頻激光、平均功率10 W級的920 nm穩定皮秒脈沖超短激光，為～900 nm全光纖激光的應用奠定了基礎。

　　圖3 全光纖化摻釹光纖放大器光路圖。(a) LD:激光二極管，CPS:包層功率剝離器，PM:功率計，OSA:光譜分析儀。激光輸出-輸入曲線;(b)插圖為八邊形結構的摻釹石英光纖斷面圖，輸出功率為113.5 W時放大器的激光光譜;(c) 插圖為此時功率計照片

　　4、結論和展望

　　主動式提高Nd3+離子為獲得高性能～900 nm光纖激光提供了全新的材料解決方案。基于該方案已獲得全光纖化927 nm百瓦量級激光、920 nm高重頻超短脈沖激光、890和910 nm單頻激光及920 nm高平均功率皮秒脈沖激光。相信通過降低摻釹光纖損耗、改善光纖數值孔徑及聯合使用其他～1060 nm寄生振蕩抑制技術，研究人員有望實現數百瓦甚至上千瓦的高光束質量～900 nm光纖激光輸出，其倍頻藍光、四倍頻紫外光甚至深紫外光功率也將得到進一步提升，從而推動～900 nm光纖激光在生物成像技術、貴金屬加工及增材制造技術、深海通訊等領域的應用。

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