3μm 光纤激光器的研究进展

3μm 光纤激光器的研究进展

杨伟;段云锋;王强;张秀娟;邓明发

【摘要】The 3 μm laser plays an important role in the laser

medicine.Owing to the potential of fiber laser,the re-search on 3 μm fiber laser has great significance and value.The principle and research progress of the 3 μm fiber la-ser doped different rare earth ions are summarized,and several ZBLAN fiber lasers doped different ions are intro-duced.At the end,the faced problems of the 3 μm fiber laser are analyzed,and development tendency in the future is pointed out.%3μm 波段的激光在激光医疗等领域发挥着重要的作用，同时鉴于光纤激光器的突出优点，使研究3μm 波段的光纤激光器具有极高的应用价值。本文从不同的掺杂稀土离子角度对3μm 波段光纤激光器的工作原理和研究状况进行了简要概述，介绍了几种不同离子掺杂的 ZBLAN 光纤激光器。最后分析了当前3μm 波段光纤激光器发展所面临的问题和今后的研究方向。

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2015(000)005

【总页数】5页(P471-475)

【关键词】3 μm;光纤激光器;工作原理;研究进展

【作者】杨伟;段云锋;王强;张秀娟;邓明发

【作者单位】北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限

公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科

技有限公司，北京 100015;北京东方锐镭科技有限公司，北京 100015

【正文语种】中文

【中图分类】TN248.1

1 引言

由于3μm波段的激光被水分子强烈吸收，同时Ca、P等也对其具有很高的吸收率，所以该波段激光可被用于切割多水份的生物软组织以及骨骼，应用在激光手术中有着凝血迅速和手术创面小的优点［1］。为了得到3μm波段的激光，人们研究采

用HF激光器、固体激光器、光纤激光器等多种方式。与前两者相比［2－6］，光纤激光器光束质量好，体积小、转换效率高、散热效果好，且在高功率化输出的发展中有着很好的前景，倍受人们关注。

为了获得3μm波段的光纤激光器，需要克服常规光纤中声子能量高及相应波段光传输损耗的问题。目前，最常用的是氟化物(ZBLAN)和硫化物光纤［7－8］。氟

化物光纤的典型成分为ZrF4，BaF2，LaF3，AlF3，NaF，其物质的量的分

数分别为53%，20%，4%，4%和20%，材料的声子能量为550 cm－1，因此波长在0.8～4.5μm的范围内可实现低损耗传输。然后通过在氟化物光纤中掺杂

Ho3+、Er3+或两者与Pr3+共掺等输出2.7～3μm的激光。

本文主要对国内外3μm波段ZBLAN光纤激光器的研究进展进行了介绍。并对该

波段光纤激光器的未来发展进行展望。

2 ZBLAN光纤激光器的工作原理和研究现状

2.1 掺Ho3+ZBLAN光纤激光器工作原理

Ho3+在5I6→5 I7间的能级跃迁会产生2.8μm的输出。但通常，人们会在Ho3+中共掺入Pr3+以使5I7能级上的粒子能够迅速衰减(ET过程)，从而保证粒子数反转和激光器的稳定输出。其原理如图1所示。

图1 Ho3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器离子能级跃迁图Fig.1 Simplified energy level diagram for Ho3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

图1 中，基态Ho3+被1150 nm的光抽运到5I6能级，为了实现该能级上的粒子数反转，既需要避免5I6能级的上能量传递上转换(ETU)造成的粒子减少，又要掺入相应的Pr3+使Ho3+的5I7能级到Pr3+的3F2能级的进行能量传递，以减少5I7能级的粒子数［9］。然而3μm掺Ho3+的ZBLAN光纤激光器上能级ETU 速率系数相对较高，限制了Ho3+的利用。因此，在设计光纤时既要保证Ho3+有足够的浓度以充分吸收抽运光，又要保证有足够浓度的Pr3+使激光下能级5I7上的粒子数能够通过能量传递(ET)而迅速减少(粒子到达3 F2后经过多声子衰减下降到基态)。但随着掺杂浓度的提升，光纤的散射损耗也在增加。这样，寻找到平衡点以满足两方面的需求也是重要的研究内容。

2.2 掺Er3+ZBLAN光纤激光器工作原理

2.2.1 常规掺铒光纤激光器

掺Ho3+ZBLAN光纤激光器虽可产生3μm附近的激光，但其受到抽运光波长(1150 nm)的限制，无法使用廉价的半导体激光器，制约了低成本实用化发展。而以Er3+作为掺杂介质的ZBLAN光纤激光器则可直接用790 nm或975 nm半导体激光器进行抽运。

图2是3μm掺Er3+ZBLAN光纤激光器的Er3+能级图，基态吸收(GSA)使Er3+激发到高能级4I11/2，同时由于激发态吸收(ESA)作用，Er3+从4 I11/2能级激发到4 F7/2能级。为了保证3μm激光的稳定输出，需要尽量降低ESA，而双包层ZBLAN光纤中激励密度较小，ESA作用不明显。

图2 掺Er3+ZBLAN光纤激光器Er3+能级图Fig.2 Simplified energy level diagram for Er3+doped ZBLAN fiber laser

此外，在ZBLAN光纤中Er3+下能级4I13/2寿命大于上能级4I11/2寿命，要想

有效获得2.8μm波段激光输出，须得令下能级的粒子有效转移，保证上能级粒子

有效持续地跃迁到下能级，避免激光跃迁自终止。目前采用两种方式解决这个问题。

①提高Er3+的掺杂浓度——提高掺杂浓度使发生ETU1跃迁:(4I13/2，

4I13/2)→(4I15/2，4I9/2)，此过程中，有半数的粒子弛豫到了基态，另外半数粒子转换到了4I9/2能级，通过多声子弛豫回到4I11/2能级，从而发射第二个光子，这样激光自终止的问题得到解决，还提高了光光转换效率［10］。

②Er3+/Pr3+共掺——掺Pr3+后，在ET1作用下，粒子转移到3F4，再经多声子弛豫回到基态，这样由下能级4I13/2较高寿命引起的粒子数瓶颈被突破，如图3

所示。

图3 Er3+/Pr3+共掺ZBLAN光纤激光器离子能级图Fig.3 Partial energy level diagram for Er3+/Pr3+codoped ZBLAN fiber laser

伴随的，也出现了一定的负影响，图3显示ETU1有助于提高量子效率，但ET1

却在削弱阻止ETU1过程。可见，离子共掺相关知识也有必要进一步深入研究。2.2.2 高功率级联光纤激光器

由2.2.1中原理可知，若通过ET与ETU的作用克服Er3+粒子数瓶颈限制，需在

光纤中对Er3+粒子进行高浓度掺杂或Er3+/Pr3+共掺。但随着掺杂浓度的增加，光纤的传输损耗也在加大，并引起离子簇效应。所以，为了能在较低掺杂浓度下实现激光器输出效率的提高，一种“级联”的方式被采用。

由Er3+能级模型可知:下能级的粒子可以跃迁到基态，输出波长为1.55μm的激光，这种方式也可以用于减少下能级粒子数。如图4所示，4I11/2→4I13/2能级间的

跃迁会产生2.83μm的光，4I13/2→4I15/2能级间的跃迁产生1.55μm的光，同