发光学报 | Er³⁺: ZBLAN光纤激光器

▎导 读

3 μm激光处于分子指纹区，对CH₄、H₂O、CO₂等分子具有很高的吸收峰，在医疗、气体检测、军事等领域具有重要的应用价值。Er³⁺:ZBLAN光纤激光器具有效率高、可集成的优点，是3 μm激光的主要输出方式。然而，由于ZBLAN光纤本身的机械性能较差、中红外器件的制备工艺难度大、作为可饱和吸收体的材料损伤阈值不高等缺点，导致其发展缓慢。因此，开发综合性能优异的3 μm波段Er³⁺:ZBLAN激光器具有重要的研究意义。

近日，中国计量大学田颖教授及刘永岩硕士等在《发光学报》（EI、Scopus、核心期刊）发表了题为“3 μm波段Er³⁺:ZBLAN光纤激光器研究进展及展望”的综述文章。

综述围绕Er³⁺:ZBLAN激光器，介绍了3 μm激光的产生方式及Er³⁺:ZBLAN光纤的基本工作原理，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3 μm 波段高功率输出需要解决的问题进行了分析，最后对Er³⁺:ZBLAN 光纤激光器的发展方向进行了展望。

▎引言

目前实现3 μm波段激光输出的方式可以分为四种：气体激光器、量子级联激光器、非线性频率变换激光器和稀土掺杂光纤激光器。其中气体激光器体积庞大，量子级联激光器只能在低温环境下运行，非线性频率变换激光器搭建较为复杂。与上述三种激光器相比，稀土掺杂光纤激光器具有高增益和转换效率、光束传输质量好、结构紧凑和功率可扩展等优点，未来有望成为3 μm波段主流激光器。

光纤激光器的核心是基质材料和增益离子，氟化物玻璃具有低声子能量（500~600 cm-1）和低损耗的优势，可以掺杂多种稀土离子，是3 μm波段最佳的光纤基质。目前发展最为成熟的氟化物光纤是ZBLAN光纤（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF），其离子的高浓度掺杂技术已实现商业化。Er³⁺、Ho³⁺、Dy³⁺是可在3 μm波段产生激光的稀土离子，其中采用Er³⁺做掺杂离子时，可使用成熟的商业半导体激光器进行泵浦，也促使Er³⁺:ZBLAN激光器得到迅速的发展。

▎3 μm波段Er³⁺:ZBLAN连续激光器

实现3 μm波段Er³⁺:ZBLAN激光连续输出的光路结构一般有两种，分别为空间耦合结构与全光纤结构。空间耦合是最常用的光耦合方法，操作简单，图1为空间耦合光路结构的两种输出方式，（a）图为后端输出，（b）图为前端输出。基于铒离子的能级跃迁，泵浦光在光纤中转换为3 μm激光，与后端输出相比，前端输出结构使得泵浦光在光纤中行走的路程更长，因而转换效率更高。

图1：Er³⁺:ZBLAN激光器空间耦合光路（a）后端输出和（b）前端输出结构。

由于氟化物光纤本身的物理性质，光纤在实验中产生的热量会持续积累，从而对端面造成损伤，所以需要对光纤进行散热和端面除水处理。图2是两种常见光纤散热结构简图，分别采用液体与纤身直接接触和间接接触的方式对光纤进行降温。图2（a）为直接冷却法，采用的液体一般为循环流动的氟碳液体冷却剂，温度控制在20 ℃左右，将光纤浸泡在充满氟碳液体冷却剂的铝板中以达到降温的目的。图2（b）为间接冷却法，在铝板内部通水以保持20 ℃的恒定温度，通过铝板与纤身的接触来进行散热。    

图2：光纤散热结构简图。（a）液体直接冷却；（b）液体间接冷却

与空间耦合相比，全光纤结构可以完美的避开端面因光子碰撞产生的热损伤，从而提高激光器损伤阈值，图3为Er³⁺:ZBLAN激光器全光纤结构装置示意图，实现全光纤技术的关键是泵浦尾纤与氟化物光纤的熔接（S1）、光纤端帽的熔接（S2）、高反和低反光纤光栅（HR-FBG和LR-FBG）的写入。其中光纤光栅是利用光纤的光敏性，对光纤纤芯折射率进行周期性调制的一种无源器件，它与光纤兼容度很高，在光路中起到振荡反馈、滤波和波长调谐的作用。ZBLAN光纤光敏性低，可以利用材料的非线性吸收特性，通过相位掩模法与激光直写法直接将光栅刻入光纤内。

图3：Er³⁺:ZBLAN激光器全光纤结构装置示意图

▎3 μm波段Er³⁺:ZBLAN脉冲激光器

脉冲激光器的光路结构是在连续输出激光器的基础上进行改进，将二维材料制成的可饱和吸收体插入谐振腔内，利用材料的可饱和吸收特性对光路进行调Q和锁模调制，可以短时间内输出大量能量。如图4所示，一般采取（a）直型腔和（b）“Z”型腔将饱和吸收体集成到光路中。与直型腔相比，“Z”型腔可以将光高效的汇聚在饱和吸收体上，有效避免了腔内寄生振荡的产生。目前半导体可饱和吸收镜（SESAM）是发展最为成熟的商用可饱和吸收体，但其价格昂贵，工作波长最远只能到3 μm，近年来石墨烯、黑磷、Fe²⁺:ZnSe、拓扑绝缘体、过渡金属硫化物等新型材料由于其独特的结构特性，已逐渐成为2.7~3 μm波段可饱和吸收体的热门材料。    

图4：Er³⁺:ZBLAN脉冲激光器常见光路结构简图。（a）直型腔；（b）“Z”型腔

▎结论与展望

3 μm激光独有的光学特性使其在各领域均有极大的应用价值，近年来研究学者的不懈努力，促进了3 μm波段光纤激光器的迅速发展。但仍存在一些难以攻克的技术难题，如受斯托克斯极限的限制，泵浦转化效率无法超过35%；ZBLAN光纤材料机械性能差，拉制困难、制备成本高；光栅刻写、氟化物光纤的熔接、光纤端面处理工艺操作复杂，难以全面推广；现有的饱和吸收体材料损伤阈值低等问题。尽管目前中红外波段光纤激光器的发展相对近红外激光的发展仍有差距，随着国家对3 μm激光器需求的增加，相信在未来几年内，中红外激光器有望实现高功率、低成本、商业化的发展。

▎论文信息

刘永岩，田颖*，杨雪莹，蔡恩林，李兵朋，张军杰，徐时清，3 μm波段Er³⁺∶ZBLAN光纤激光器研究进展及展望[J].发光学报,2024,45(01):125-138. DOI: 10.37188/CJL.20230258

https://cjl.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/CJL.20230258/