3μm 光纤激光器的研究进展
3um 红外 激光 折射率
3um 红外激光折射率
【实用版】
目录
1.3um 红外激光的特点与应用
2.红外激光在折射率测量中的作用
3.折射率对红外激光性能的影响
4.总结
正文
3um 红外激光是一种具有特殊性能的光源，其波长为 3 微米，主要应用于红外成像、红外通信、生物医学等领域。
相较于其他波长的红外激光，3um 红外激光具有更好的穿透性和更高的能量密度，因此在多个领域表现出优越的性能。
在折射率测量领域，红外激光发挥着重要作用。
折射率是物质对光的传播速度产生影响的程度，是反映物质光学特性的重要参数。
红外激光在折射率测量中的应用，可以有效提高测量精度，降低测量误差。
通过红外激光的折射率测量，可以更好地了解物质的光学特性，为其他领域的研究提供有力支持。
折射率对红外激光性能的影响也不容忽视。
折射率是衡量光在物质中传播速度的指标，折射率的变化将直接影响红外激光的传播速度和能量传播效率。
当折射率较大时，红外激光在物质中的传播速度较慢，能量损失较大；折射率较小时，红外激光在物质中的传播速度较快，能量损失较小。
因此，在实际应用中，选择合适的折射率对于提高红外激光性能至关重要。
综上所述，3um 红外激光在折射率测量领域具有重要应用价值，折射率的选择对红外激光性能有着重要影响。
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中红外光纤激光器
中红外光纤激光器摘要位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。
利用固体激光器泵浦稀土离子掺杂的玻璃光纤产生荧光发射是直接获得2～5 μm 波段中红外激光的有效途径，具有光束质量好、体积小、转换效率高、散热效果好等优点。
本文介绍了中红外光纤激光器的原理、研究现状和发展前景。
对中红外光纤激光器的发展和研究方向进行了阐述。
关键词：中红外；光纤激光器；稀土离子；硫化物光纤；氟化物光纤一、中红外光纤激光器简介1.1 中红外激光位于2~5μm中红外波段的激光在国防、医疗、通信方面有着特殊的重要应用。
它位于大气“透明窗口”,处于大多数军用探测器的工作波段, 可以进行战术导弹尾焰红外辐射模拟、人眼安全的激光雷达、激光定向红外干扰等军事用途。
在民用领域可用于遥感化学传感、空气污染控制，它还可以用于新一代激光手术,使血液迅速凝结,手术创面小、止血性好（水分子在3μm附近有很强的吸收峰）此外，采用2～5 μm 替代目前广泛使用的1.55 μm 作为光纤通信工作波长也是一项极具研究价值的课题，由于材料的Rayleigh 散射与光波长的四次方成反比，采用2～5 μm 作为工作波长可以有效降低光纤损耗，增加无中继通信的距离。
因此，研发中红外波段的激光器对于国家安全和国民经济建设具有十分重要的意义。
获得中红外激光的方法有间接方法和直接方法。
其中间接方法包括： (1) CO2激光器的倍频及差频输出(2) 利用非线性红外晶体采用非线性频率变换或光学参量振荡技术将其它波段激光调谐到中红外波段直接方法包括：(1)以氟化氘等为介质的化学激光器(2) 以AlGaAsSb，InGaAsSb，InAs/(In)GaSb 等锑化物窄禁带半导体、过渡金属离子掺杂的Ⅱ–Ⅵ族半导体制作的中红外激光器(3)近红外半导体激光泵浦的稀土离子或过渡金属离子掺杂的玻璃、晶体的光纤激光器。
1.2 光纤激光器光纤激光器是指用掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质的激光器，主要由泵浦源、耦合器、掺稀土元素光纤、谐振腔等部件构成, 结构如图1.1所示。
光纤激光器的理论与实验研究
光纤激光器的理论与实验研究光纤激光器是一种利用光纤作为工作介质的激光器。
相比于传统激光器，光纤激光器具有结构简单、体积小、功率稳定等优点，因此在光通信、医疗、工业加工等领域得到广泛应用。
本文将介绍光纤激光器的基本原理、结构和性能，并重点探讨了光纤激光器的实验研究进展和应用前景。
一、光纤激光器的基本原理和结构光纤激光器的工作原理基于三个部分：激光介质、激光刺激源和反射器。
光纤激光器与传统激光器最大的不同在于光纤作为激光介质。
激光刺激源可以是电流、光或热等刺激方式，可以通过电子激发将参数转化为光信号，进而在光纤内扩散并被反射器反射形成激光器。
光纤激光器的结构、形式比较多样，但它们一般包括：激光介质、激光刺激源、反射器、光纤耦合器、光学输出部分。
其中，激光介质是光纤，由于光纤的细长、柔性、低价格、可靠性高等特点，提高了光纤激光器的光学特性，比如波导效应，从而实现了实际应用的复杂化程度。
激光刺激源选择与否，一般根据不同应用场合有区别，在医疗领域如SOLED为主流光源，但在工业领域，高压氙或钠灯光源通常采用。
反射器是锥形反射器或圆柱形镜反射器，两者的反射作用都可达到100%。
光纤耦合器主要用于将激光器的输出与其他的光学设备相连，各种传感器、医疗领域、工业领域都可以使用。
光学输出部分是机械永久码和钛焦散镜的组合，多项光学组件共同完成激光输出成型。
二、光纤激光器的性能特点光纤激光器具有很多优点，比如小体积、低噪声、功率稳定等，这些特点使其在各个领域中受到了广泛应用。
（1）大功率输出光纤激光器可以产生1W-100kW持续功率输出，而且功率稳定，颜色较浅。
随着技术不断发展，光纤激光器在功率输出上的性能不断得到提升。
（2）宽波段光纤激光器可以产生宽波段光信号，从紫外线到红外线都可以实现输出，具有很高的信噪比和相干特性。
多种波长的信号可以在同一个光纤内同时传输和操控。
（3）高可靠性由于光纤激光器的光学部件与常规激光器的光学元件相比，具有比较好的机械结构和散热系统，因此在使用时也具有较高的可靠性。
0.9~1.0 μm近红外连续光纤激光器的研究进展
国家重点实验室，陕西 西安 710119； 3. 中国科学院大学，北京 100049）
摘要：波长为 0.9~1.0 μm 的近红外连续光纤激光器在高功率蓝光和紫外激光产生、高功率单模泵浦源、生物医学以及激
关 键 词：光纤激光器；0.9~1.0 μm 近红外激光；标志码：A
doi：10.37188/CO.2020-0193
Research progress of 0.9 ~ 1.0 μm near-infrared continuous-wave fiber lasers
2 基于稀土离子增益的 0.9~1.0 μm 近红外光纤激光器
收稿日期：2020-10-27；修订日期：2020-12-09 基金项目：陕 西 省 自 然 科 学 基 础 研 究 计 划 资 助 项 目 （ No. 2019JQ-914） ； 陕 西 省 创 新 能 力 支 撑 计 划 项 目 （ No.
2019KRM093）；陕西省教育厅专项科研计划项目（No. 17JK0394，No. 19JK0429）；陕西省科技厅重点研发 计划项目（No. 2018ZDXM-GY-051） Supported by the Natural Science Basic Research Program of Shaanxi (No. 2019JQ-914); Innovation Capability Support Program of Shaanxi (No. 2019KRM093); Scientific Research Program Funded by Shaanxi Provincial Education Department (No. 17JK0394, No. 19JK0429); Key Research and Development Program Fund of Shaanxi Science and Technology Department (No. 2018ZDXM-GY-051)
3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源中期报告
3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源中期报告
本文介绍了关于3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器以及高功率中红外超连续谱光源的中期报告。
首先是关于3μm波段调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光器的研究。
该激光器的实验室搭建已经完成，并且测试了不同的反射镜对于激光器性
能的影响。
实验结果表明，使用反射镜反射的光将会返回到激光器中，
这会导致激光器成为一个时变光学系统，从而降低了激光器的效率。
因此，使用高透过率反射镜进行反射，可以有效地提高激光器的性能。
另外，我们还测试了不同的腔长度对于激光器的影响。
实验结果表明，适当增加腔长度可以有效地降低激光器的阈值，从而提高激光器的
功率输出。
接下来是关于高功率中红外超连续谱光源的研究。
我们已经完成了
光纤拉伸技术的研究，并且运用该技术成功拉伸了硅芯片，用于中红外
超连续谱光源的设计。
此外，我们还对超连续谱光源进行了系统的理论分析和实验测试。
我们发现，采用镶嵌在光纤内的有源材料和正交光相互作用的方法，可
以有效地扩展光谱范围。
在实验测试中，我们成功地获得了连续的谱线，并且光功率输出达到了高功率水平。
总的来说，我们的研究表明，采用调Q锁模Er3+-ZBLAN光纤激光
器和光纤拉伸技术，可以实现高功率、高效率的中红外超连续谱光源，
具有广泛的应用前景。
3μm波段Er^(3+)∶ZBLAN光纤激光器研究进展及展望
3μm波段Er^(3+)∶ZBLAN光纤激光器研究进展及展望刘永岩;田颖;杨雪莹;蔡恩林;李兵朋;张军杰;徐时清
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2024(45)1
【摘要】3µm激光处于分子指纹区,在医疗外科、气体检测、军事应用等领域都有重要的应用价值。
Er^(3+)∶ZBLAN光纤激光器具有效率高、可集成的优点,是
3µm激光的主要输出方式。
本文从铒离子跃迁产生3µm激光出发,围绕
Er^(3+)∶ZBLAN光纤激光器,介绍了3µm激光产生的结构原理及能级系统,总结了实现该波段高功率连续输出和脉冲输出的技术方案和研究进展,重点介绍了基于不同材料可饱和吸收体的调Q和锁模激光器实验研究,并对目前实现3µm波段高功率输出需要解决的问题进行了分析,最后对Er^(3+)∶ZBLAN激光器的发展方向进行了展望。
【总页数】14页(P125-138)
【作者】刘永岩;田颖;杨雪莹;蔡恩林;李兵朋;张军杰;徐时清
【作者单位】中国计量大学光学与电子科技学院;中国科学院上海应用物理研究所;中国科学院上海高等研究院;中国科学院大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN248.4
【相关文献】
1.3μm波长Er:ZBLAN光纤激光器研究进展
2.包层泵浦的L波段
Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器3.工作在L波段的多波长Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器4.基于能量传递的Pr^(3+):Ce^(3+):ZBLAN光纤中上转换激光器的研究5.掺Er^(3+)和Er^(3+)/Yb^(3+)共掺光纤激光器中抑制自脉动的效果
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窄线宽36pm的Er：Yb共掺硅基光纤激光器
的输 出中心波长 比光纤 光栅 测量的传输光谱 中心波 长稍短 ， 可能是 由于光纤 光栅风 冷造成 的． ５ 示的是 图 所 由Ｙ ｂ离子发射 的 自由振荡 的激光光谱 图， 中心波长在 １０ ０ ８肌 ６ ．
图６ 所示 的是用刀 口法测 量的光纤 激光 器输 出激光光束质量数据图 ， 各个 数据点是 激光光束半径和光斑
Ｙ ｂ的上能级到 Ｅ 的上能级具有很高 的驰豫共振传输率． ｒ
参 考 文 献：
Ｅ３ ＨＩＩＰ Ｖ Ｃ Ｄ ＭＡ ＤＣ ＪＯ Ｇ Ｙ，ｔ １Ｈｉ － ｅ ｙｉ ｆ ｅ ｐｌ ｌｉ ｔ ｎｆｒ ｏ ｅ ｎ ｌａ ｐｌａｏｓＪ． ｐ １ Ｐ ＬＰ Ｏ Ｖ，Ｏ Ｅ Ｒ ，Ｅ Ｎ ｅ ａ ｇ ｅ ｒ －ｂｒ ｕ ｅ ｍｐｆａｉ ｈｒ ｔｉ ｒ ｐｃｔｎ［］Ｏ ｔ ． ｈ ｎ ｇ ｎ ｉ ｓ ａ ｉｃ ｏ ｏ ｃ ｅ ｄ ａ ｉ ｉ
激 光器 的尾纤直接与光纤光栅 相熔 接 ， 有光纤 光栅 的光纤 长度 约为 １ ｒ， 带 ０ｃｌ光纤 光栅 的栅 区长度 约为 １ ｆ Ｏ
１１ 位于光纤的 中心位置． １１ １， １ 带有光纤光栅的光纤外部涂敷层被剥掉 ， 在空气 中这段光纤相 当于双包层光纤 ， 直 径 １ ５ｇ 的包层 可以传输 ９ ５ｎｎ的泵浦光． ｒ Ｙ ２ ｍ ７ Ｙ Ｅ ： ｂ共掺光纤 的另一端也是垂直切割的 ， 端面的 ４ 菲涅 尔
图４ Ｅ ： ｒ Ｙｂ共 掺 光 纤 激 光 器 输 出的 １５ ９ ４ｒｎ窄线宽激光光谱 ６ ． － ｕ
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图 ５ Ｅ ： ｂ共掺光 纤激光器输 出的 自由振 荡 ｒ Ｙ １０ ０ ８衄 窄线宽中掺杂有 Ｙ 离子 ， ｂ 不可避免地使激 光器有 １０ ．６ 输出 ， 但是输 出激光器功率很低 ， ４ 的泵 浦功率作用下 ， 出功率小 于 ５ 在 Ｏｗ 输 ０ｍＷ．
2μm波段新型锁模光纤激光器研究
目录摘要 (i)ABSTRACT ........................................................................................................ i ii 第一章绪论 (1)1.1 2µm波段脉冲光纤激光器的研究意义 (1)1.2 2µm波段波长可调谐的掺铥锁模光纤激光器研究进展 (2)1.3 锁模光纤激光器中耗散孤子谐振效应的发展概况 (10)1.4 论文研究内容与结构安排 (12)第二章光孤子和光纤激光器中的锁模 (14)2.1 光孤子 (14)2.1.1 时间光孤子与空间光孤子 (14)2.1.2 光纤激光器中光孤子的起源与发展 (15)2.1.3 孤子的色散机制 (15)2.1.4 耗散孤子与耗散孤子谐振 (16)2.2 光纤激光器中的锁模方式 (17)2.2.1 主动锁模 (17)2.2.2 被动锁模 (18)第三章波长可调谐SESAM锁模掺铥光纤激光器研究 (21)3.1 掺铥光纤激光器的泵浦源设计 (21)3.1.1 1570 nm铒镱共掺光纤激光器的实验原理 (21)3.1.2 波长为1560 nm的铒镱共掺光纤激光器 (22)3.2 全光纤SESAM锁模掺铥光纤激光器 (23)3.2.1 SESAM锁模掺铥光纤激光器的结构设计 (23)3.2.2 锁模激光器的输出特性 (23)3.3 加入波长调谐器件时SESAM锁模掺铥光纤激光器的输出特性 (25)3.3.1 可调谐滤波器的性能测试 (25)3.3.2 可调谐SESAM锁模掺铥光纤激光器的实验结果 (25)3.4 结果分析和讨论 (27)3.4.1 增益光纤长度对波长可调谐范围的影响 (27)3.4.2 泵浦波长对波长可调谐范围的影响 (28)3.4.3 腔内其他器件对波长可调谐范围的影响 (28)3.5 本章小结 (30)4.1 超宽脉冲超高占空比的耗散孤子谐振脉冲 (31)4.1.1 耗散孤子谐振脉冲的掺铥锁模光纤激光器的实验原理 (31)4.1.2 耗散孤子谐振脉冲的掺铥锁模光纤激光器的结果与分析 (32)4.2 掺铥锁模光纤激光器中的孤子簇现象 (35)4.3 本章小结 (37)第五章总结与展望 (38)5.1 论文的主要工作 (38)5.2 主要创新点 (38)5.3 后续工作展望 (39)致谢 (40)参考文献 (42)作者在学期间取得的学术成果 (49)附录本文中用到的缩写 (50)表目录表1.1 国内外2 μm波段波长可调谐锁模光纤激光器的研究进展 (3)表3.1 不同掺铥光纤长度对可调谐波长范围的影响 (27)表4.1 输出矩形脉冲激光特性随泵浦功率的变化 (34)图目录图1.1 脉冲掺铥光纤激光器作为泵浦源的频率转换 (2)图1.2 1945-2090 nm波长可调谐激光在大气中传输1 km后的透过率 (2)图1.3 麻省理工学院Nelson的波长可调谐NPR锁模TDFL (4)图1.4 芬兰坦佩雷科技大学Kivisto的波长可调谐SESAM锁模THDFL (4)图1.5 美国亚利桑那大学Qiang Fang波长可调谐的CNT锁模TDFL (5)图1.6 南洋理工大学Zhiyu Yan的NPR锁模TDFL (5)图1.7 NPR锁模TDFL可调谐的多波长脉冲光谱图 (5)图1.8 NPR锁模TDFL中单波长和多波长的变化特征 (6)图1.9 挪威科技大学Klimentov的基于拉曼孤子频移可调谐锁模TDFL (6)图1.10 南开大学杨光的石墨烯锁模掺铥光纤激光器的实验原理 (7)图1.11 波长可调谐的石墨烯锁模掺铥光纤激光器的输出光谱 (7)图1.12 吉林大学N Li的波长可调谐CNT锁模TDFL实验原理 (7)图1.13 基于MMIF进行波长调谐的输出特性 (8)图1.14 德国Li可调谐NPE锁模掺钬光纤激光器 (8)图1.15 清华大学王盼的可调谐NPE锁模THDFL (8)图1.16 可调谐NPE锁模THDFL中波长1920nm，1940nm和1960nm的孤子分子光谱图 (9)图1.17 南洋理工大学可调谐的双向泵浦全光纤NPE掺铥锁模光纤激光器 (9)图1.18 南洋理工大学可调谐的全光纤NPE掺铥锁模光纤激光器 (9)图1.19 日本MASHIKO的SESAM锁模掺铥光纤激光器 (10)图1.20 SESAM锁模掺铥光纤激光器输出波长可调谐类噪声脉冲的光谱 (10)图1.21 南京大学王枫秋的CNT锁模掺铥光纤激光器 (10)图1.22 西班牙巴伦西亚大学的全保偏锁模掺镱光纤激光器 (11)图1.23 韩国首尔大学Lee的Bi2Te3锁模掺铒光纤激光器 (12)图1.24 深圳大学Xu的“8”字腔掺铥锁模光纤激光器 (12)图2.1 SESAM的基本结构 (18)图2.2 NPR锁模的基本原理 (19)图2.3 “8”字腔锁模光纤激光器的基本原理 (19)图3.1 1570 nm EYDFL的实验原理 (21)图3.2 1570 nm EYDFL的输出光谱 (22)图3.3 1560 nm EYDFL的实验原理 (22)图3.4 1560 nm EYDFL的输出光谱 (22)图3.6 不加入波长调谐元件时TDFL的输出特性 (24)图3.7 输出激光的功率特性 (24)图3.8 基于衍射光栅的可调谐滤波器的波长调谐光谱图 (25)图3.9 波长可调谐的全光纤SESAM锁模TDFL的光谱特性 (26)图3.10 输出激光调谐到各波长处对应的平均输出功率 (26)图3.11 中心波长在1920 nm处的射频频谱特性 (26)图3.12 掺铥光纤的ASE光谱 (27)图3.13 掺铥光纤的吸收发射截面谱线 (28)图3.14 2μm ASE光源光谱与SESAM的反射光谱 (29)图3.15 WDM的插入损耗曲线 (29)图4.1 工作于耗散孤子谐振状态的SESAM锁模TDFL的实验原理 (32)图4.2 耗散孤子谐振脉冲的光谱特性 (32)图4.3 耗散孤子谐振脉冲的时域特性 (32)图4.4 耗散孤子谐振脉冲的射频频谱特性 (33)图4.5 耗散孤子谐振脉冲时序随泵浦功率的变化 (33)图4.6 脉宽为814ns的耗散孤子谐振矩形脉冲特性 (34)图4.7 耗散孤子谐振脉冲的输出平均功率和脉冲宽度随泵浦功率的变化 (35)图4.8 SESAM和NOLM混合锁模的TDFL实验原理 (35)图4.9 稳定锁模脉冲的时域特性 (36)图4.10 输出孤子形态随偏振调节的变化 (36)摘要2μm波段在工业制造、通信遥感、生物医疗等领域应用广泛。
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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 lasermedicine.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】TN248.11 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，同时构建两个用于实现1.5μm和3μm波长谐振腔，保证3μm激光的稳定输出，即所谓的“级联”激光输出。
图4 掺Er3+ZBLAN光纤激光器Er3+能级图Fig.4 Simplified energy level diagram of Er3+in Er3+－doped ZBLAN fiber laser2.3 研究发展现状当前使用掺Ho3+的光纤激光器还较少，掺Er3+则比较多，且多采用如图5所示结构进行实验，只在冷却方式方面有差异。
在这种结构中，抽运功率都不太高。
理论显示当抽运功率到达一定值(50 W)后，激光功率会有一个大的提升(＞10 W)［10］。
图5 ZBLAN光纤激光器结构示意图Fig.5 Structure of ZBLAN fiber laser图5 中DM为分色镜，L1为非球面镜，L2为YAG激光镜片，W为CaF2窗口，PM为光功率计，LD为抽运源。
图中采用透镜泵浦耦合，这时光纤端面的损伤阈值限制了抽运功率的增加，目前可采用端面镀膜等方式进行处理。
从1988年第一台3μm波段的光纤激光器出现到今年被广泛关注，3μm波段光纤激光器的研究工作取得了长足进步。
其研究进展如表1所示。
表1 3μm波段光纤激光器研究现状Tab.1 the progress of the fiber laser operating at 3μm range年份研究人员掺杂方式波长实现功率补充说明1988 Allain等［10］Er3+ 2.71μm 250 mW 1999 Jackson［11］ Er3+/Pr3+2.71μm 1.7 W 2004 Jackson［9］Ho3+/Pr3+ 2.86μm 2.5 W 2006 Zhu［12］等Er3+/Pr3+ 3μm ＞2 W 2007 Zhu［13］等Er3+ 2.86μm ＞2 W 2009 Jackson［14］Ho3+/Pr3+ 2.94μm 2.5 W 2009 T okita［15］等 Er3+2.71μm 24 W 冷却条件下，如图5所示2009 Bernier［16］等Er3+ 2.6μm 5W 结构如图6所示2009 Jackson［17］Er3+ 2.83μm/1.5μm 4.6W 非水冷“级联”方式2010 Jackson［18］Er3+ 2.8μm/1.6μm 8.2 W “级联”方式，如图7所示2011 Tokita［19－20］等Er3+ 2.8μm 12 W 2011 Faucher［21］等Er3+ 2.8μm 20.6 W 斜效率35.4%，3μm 波段最高效率2012 黄园芳［22］Er3+/Pr3+ 2.786μm 2.61 W 2014 沈炎龙［23］等Er3+/Pr3+ 2.785μm 0.98 W图6中在光纤上刻写布拉格光栅，实现了高稳定性的全光纤掺Er3+ZBLAN光纤激光输出。