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基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)

魏振帅 谢永耀 邵贤彬 刘俊都 赵微 赵显 张行愚 赵智刚 丛振华 刘兆军

魏振帅, 谢永耀, 邵贤彬, 刘俊都, 赵微, 赵显, 张行愚, 赵智刚, 丛振华, 刘兆军. 基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220133. doi: 10.3788/IRLA20220133
引用本文: 魏振帅, 谢永耀, 邵贤彬, 刘俊都, 赵微, 赵显, 张行愚, 赵智刚, 丛振华, 刘兆军. 基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(6): 20220133. doi: 10.3788/IRLA20220133
Wei Zhenshuai, Xie Yongyao, Shao Xianbin, Liu Jundu, Zhao Wei, Zhao Xian, Zhang Xingyu, Zhao Zhigang, Cong Zhenhua, Liu Zhaojun. Research progress of single-frequency fiber laser based on Re: YAG-SiO2 fiber (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(6): 20220133. doi: 10.3788/IRLA20220133
Citation: Wei Zhenshuai, Xie Yongyao, Shao Xianbin, Liu Jundu, Zhao Wei, Zhao Xian, Zhang Xingyu, Zhao Zhigang, Cong Zhenhua, Liu Zhaojun. Research progress of single-frequency fiber laser based on Re: YAG-SiO2 fiber (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(6): 20220133. doi: 10.3788/IRLA20220133

基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20220133
基金项目: 国家自然科学基金(62075116,62075117);山东省自然科学基金(ZR2019 MF039,ZR2020 MF114);山东大学齐鲁青年学者启动基金
详细信息
    作者简介:

    魏振帅,男,硕士生,主要从事新型特种光纤制制备技术、单频光纤激光器方面的研究

  • 中图分类号: TN248.1

Research progress of single-frequency fiber laser based on Re: YAG-SiO2 fiber (Invited)

Funds: National Natural Science Foundation of China (62075116,62075117);Shandong Provincial Natural Foundation(ZR2019 MF039,ZR2020 MF114);Shandong University Qilu Young Scholars Foundation
  • 摘要: Re:YAG-SiO2多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO2光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO2光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO2光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。
  • 图  1  熔芯法示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of molten core method

    图  2  (a) 二次拉制示意图[39];(b)~(g) YAG、Nd:YAG、Yb:YAG、Er:YAG、Er/Yb:YAG、Tm:YAG-SiO2光纤的显微端面图

    Figure  2.  (a) Schematic diagram of twice drawing[39]; (b)-(g) Optical micrograph of the cross-section for YAG, Yb:YAG, Nd:YAG, Er:YAG, Er/Yb:YAG, Tm:YAG-SiO2 fiber

    图  3  Nd3+离子能级结构图

    Figure  3.  Energy level structure of Nd3+

    图  4  (a) 单频激光器装置图;(b) F-P干涉仪测量的纵模特性[47]

    Figure  4.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer[47]

    图  5  (a) 单频激光器装置;(b) 输出功率与泵浦功率的关系;(c) 输出光谱[49]

    Figure  5.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Output spectrum[49]

    图  6  Yb3+离子能级结构图[54]

    Figure  6.  Energy level structure of Yb3+ [54]

    图  7  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦功率的关系; (c) 输出光谱[56]

    Figure  7.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Output spectrum[56]

    图  8  (a) 实验装置图;(b) 内部结构;(c) 洛伦兹拟合的自外差信号;(d) Labview操作界面;(e) 样机;(f) 输出功率稳定性[57]

    Figure  8.  (a) Schematic diagram of experiment; (b) Internal structure; (c) Self-heterodyne signal with Lorentzian fitted linewidth; (d) Operation interface of Labview;(e) Prototype; (f) Output power stability[57]

    图  9  (a) 放大器示意图;(b) 输出功率和后向光功率与泵浦功率的关系;(c) 放大前后的激光线宽[58]

    Figure  9.  (a) Schematic diagram of amplifier device; (b) Output power and backward optical power with respect to pump power; (c) Laser linewidth before and after amplification[58]

    图  10  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦功率的关系;(c) 洛伦兹拟合的自外差信号[60]

    Figure  10.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Self-heterodyne signal with Lorentzian fitted linewidth[60]

    图  11  (a) 基于CO2激光加热的熔芯法;(b) 输出功率与泵浦功率的关系[62]

    Figure  11.  (a) Molten core method based on CO2 laser-heated; (b) Output power with respect to pump power[62]

    图  12  Er3+离子能级结构图[54]

    Figure  12.  Energy level structure of Er3+[54]

    图  13  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦吸收功率的关系;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性;(d) 单脉冲波形[39]

    Figure  13.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump absorption power; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer; (d) Typical trace of single pulse[39]

    图  14  (a) 管内共熔法示意图;(b) 输出光谱;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性[54]

    Figure  14.  (a) Schematic of the co-melt in tube method; (b) Output spectrum; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer[54]

    图  15  Tm3+离子能级结构图

    Figure  15.  Energy level structure of Tm3+

    图  16  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出光谱;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性;(d) 输出功率与泵浦功率、泵浦吸收功率的关系

    Figure  16.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output spectrum; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P inter-ferometer; (d) Output power with respect to pump power and pump absorption power

    表  1  基于Nd:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

    Table  1.   Research progress of single-frequency fiber laser based on Nd:YAG-SiO2 fiber

    Core
    precursor
    Gain
    /dB·cm-1
    Gain
    fiber
    length
    /cm
    Power
    /mW
    Slope
    efficiency
    Refs
    Nd:YAG
    ceramic
    (5.0-at.%)
    1.57@
    1064 nm
    1.8-6%[47]
    Nd:YAG
    crystal
    (2.5-at.%)
    1.49@
    1064 nm
    0.92.581.26%[48]
    Nd:YAG
    crystal
    (2.5-at.%)
    1.16@
    915 nm
    0.60.10.11%[50]
    下载: 导出CSV

    表  2  基于Yb:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

    Table  2.   Research progress of single-frequency fiber laser based on Yb:YAG-SiO2 fiber

    Gain fiberWavelength/
    nm
    Output
    power/
    mW
    Slope efficiency
    OSNR/
    dB
    RMSLinewidth/
    kHz
    Refs
    Core
    precursor
    Doping/
    wt.%
    Gain/
    dB·cm−1
    Transmission loss/
    dB·cm−1
    NA
    Yb:YAG
    ceramic
    2.63@
    1064 nm
    0.03@
    1550 nm
    0.471064-3.8%---[55]
    Yb:YAG
    Crystal
    4.81.7@
    1064 nm
    0.005@
    1550 nm
    0.42106411018.5%800.51%@
    1 h
    93[56]
    Yb:YAG
    crystal
    -2.7@
    1064 nm
    --1064105.6
    MOPA
    17.1%
    Seed
    630.096%@
    48 h
    3[57]
    Yb:YAG
    crystal
    4.21.7@
    1064 nm
    0.005@
    1550 nm
    0.42106660.6
    Linear polariza-tion
    16.6%80<2.2%@
    6 h
    81[58]
    Yb:YAG
    crystal
    4.81.7@
    1064 nm
    0.005@
    1550 nm
    0.421064136
    Pulse
    peak
    ->60--[54]
    Yb:YAG
    crystal
    4.81.7@
    1064 nm
    0.005@
    1550 nm
    0.4210704510.2%600.36%@
    0.5 h
    <4.3[59]
    Yb:YAG
    crystal
    5.2512.6@
    976 nm
    0.06@
    1550 nm
    0.5097617.812.1%>45-<41[60]
    Yb:YAG
    crystal
    5.664.4@
    1030 nm
    -0.42103025834.9%79<0.85%
    @
    13 h
    171[61]
    Yb:YAG
    crystal
    6.576.0@
    1030 nm
    0.006@
    1550 nm
    -1030103.518.3%>630.65%@
    10 h
    <7.5[62]
    Yb:YAG
    powder
    4.53-0.054@
    1550 nm
    0.261062~4215.3%600.68%
    @
    1 h
    230[63]
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    表  3  1.5 μm波段Re:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

    Table  3.   Research progress of single-frequency fiber laser based on Re:YAG-SiO2 fiber in 1.5 μm band

    Core precursorDoping/wt.%Gain/dB·cm-1Power/mWSlope efficiencyRefs
    Er:YAG ceramic Er2O3: 2.96 1.46 @ 1550 nm 24.2 15.1% [39]
    Er:YAG crystal + Yb:YAG crystal Er2O3: 2.51 Yb2O3:2.38 2.33@ 1550 nm - - [54]
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-02-28
  • 修回日期:  2022-04-10
  • 网络出版日期:  2022-07-11
  • 刊出日期:  2022-07-05

基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20220133
    作者简介:

    魏振帅,男,硕士生,主要从事新型特种光纤制制备技术、单频光纤激光器方面的研究

基金项目:  国家自然科学基金(62075116,62075117);山东省自然科学基金(ZR2019 MF039,ZR2020 MF114);山东大学齐鲁青年学者启动基金
  • 中图分类号: TN248.1

摘要: Re:YAG-SiO2多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO2光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO2光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO2光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。

English Abstract

    • 单频光纤激光器具有噪声低、线宽窄和相干长度长等优点,在相干光通信、高精度光谱、引力波探测、激光雷达和水听系统等领域有着广泛的应用前景[1-5]。单频光纤激光器的实现方式,从谐振腔的结构上看,主要分为环形腔和线型腔。其中,环形腔主要是利用行波腔结构,来消除由驻波引起的空间烧孔效应,从而实现单频激光输出。该结构通常具有较长的腔长,导致纵模间隔较小,需要插入额外的光学器件对激光进行调控[6],才能实现窄线宽的激光输出[7],这在引入插入损耗的同时,也使激光器结构更加复杂,稳定性易受外界环境影响[8-10]。线型腔结构主要包括分布式反馈结构(Distributed feedback, DFB)[11-13]和分布式布拉格反射结构(Distributed Bragg reflector, DBR)[14-16]两种。DFB结构是在增益光纤上刻有相移光栅,使反射带宽内形成一个窄带的带通滤波,从而实现单纵模输出[17-18],但激光运行中增益光纤上的热积累会导致光栅折射率的变化甚至失相,从而使激光性能劣化。而DBR结构则是由一段增益光纤和一对光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)组成的法布里-珀罗线形腔(Fabry-Perot resonator, F-P)结构,腔长通常仅有几厘米,能够获得高达数GHz的纵模间隔,结合窄带宽光栅,容易实现稳定单频激光输出。直接在无源光纤上写入布拉格光栅作为腔镜,所制作的光纤激光器具有结构紧凑、激光效率高、稳定性高以及不易跳模等优点,在单频光纤激光器中得到了广泛的研究与应用[19-21]

      为了实现稳定的单纵模输出,DBR结构单频激光器需要较短的腔长,因而通常需要增益光纤具有较高增益系数,能够在较短的长度下提供足够的增益来实现激光的高效输出。对于传统的石英光纤来说,由于浓度猝灭效应[22],稀土离子掺杂浓度低,光纤增益小,难以实现高效的单频激光输出。而锗酸盐和磷酸盐等软玻璃光纤具有较高的稀土溶解度,实现了高浓度的稀土离子掺杂,提高了增益系数,但该类光纤软化点较低,机械性能和热稳定性相对较差,与传统石英光纤器件难以实现高强度熔接,一定程度上限制了其发展及应用。

      YAG-SiO2特种光纤是一种利用熔芯法制备的新型特种光纤[23-27],该光纤采用Re:YAG晶体(陶瓷或粉末)作为纤芯材料,采用石英管作为包层材料,使用拉丝塔进行高温拉制,如图1所示。

      图  1  熔芯法示意图

      Figure 1.  Schematic diagram of molten core method

      2006年,台湾中山大学的Y. Huang等首次尝试利用Cr:YAG晶体作为纤芯材料,成功制备了传输损耗为20 dB/m的Cr:YAG-SiO2光纤,并利用800 nm激光泵浦,实现了1.2~1.55 µm的宽带发射[28]。2009年,美国克莱姆森大学的J. Ballato等对YAG-SiO2光纤和Er:YAG-SiO2光纤制备过程中的纤芯与包层相互扩散影响和机制进行了研究[29]。2010年,美国伊利诺伊大学的P. Dragic等制备出Yb:YAG-SiO2光纤,比传统的石英光纤具有更低的受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering, SBS)[30]。之后他们还测量出此类光纤具有更低的受激拉曼散射[31]。2012年,他们又研究了高掺杂Yb:YAG-SiO2光纤作为激光增益介质的可行性,发现了该类光纤具有更小的光暗化效应和更高的SBS阈值,证明了YAG-SiO2光纤在高能光纤激光器方向具有巨大的应用潜力[32]。此外,Re:YAG-SiO2光纤还具有高增益、高热导率、高机械强度等优点[29,32],且石英包层使其能够与商用石英光纤具有良好的兼容性,可以进行较好的熔接[33],有利于应用在DBR结构的单频光纤激光器中。近年来,国内多家单位如华南理工大学[25-26,34-35]、中国科学院上海光学精密机械研究所[36-37]、山东大学[24]、上海大学[25]、吉林大学[38]等,均对Re:YAG-SiO2光纤开展了广泛的研究。笔者课题组采用二次拉制工艺,对Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等不同稀土离子掺杂的YAG-SiO2光纤的制备工艺进行了研究,对光纤性能和参数进行了表征,如图2所示,并利用所制备光纤实现了不同波段的单频激光输出。

      图  2  (a) 二次拉制示意图[39];(b)~(g) YAG、Nd:YAG、Yb:YAG、Er:YAG、Er/Yb:YAG、Tm:YAG-SiO2光纤的显微端面图

      Figure 2.  (a) Schematic diagram of twice drawing[39]; (b)-(g) Optical micrograph of the cross-section for YAG, Yb:YAG, Nd:YAG, Er:YAG, Er/Yb:YAG, Tm:YAG-SiO2 fiber

      文中系统介绍了Re:YAG-SiO2光纤制备的研究进展,结合笔者课题组的研究,重点介绍了基于掺杂Nd3+、Yb3+、Er3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的YAG-SiO2光纤的DBR结构单频激光器的研究进展,总结了1.0 μm,1.5 μm和2.0 μm波段的单频激光输出结果。实验结果表明,Re:YAG-SiO2光纤是一种极具潜力的单频激光介质。

    • 1.0 μm波段的单频光纤激光器主要采用Nd3+或Yb3+掺杂的光纤作为增益光纤。其中Nd3+掺杂光纤产生的910~945 nm波段单频激光经过倍频产生的纯净蓝光,可用于生物医学、水下通讯、荧光光谱分析、光学数据存储等领域[40-43];Yb3+掺杂光纤产生波长为960~985 nm的单频激光可以通过非线性频率变换获取蓝光以及紫外相干光源[44-45]、高亮度泵浦源[46]等。Nd3+或Yb3+光纤产生1025~1080 nm波段的单频光纤激光器可用于相干通信、引力波探测等领域[1,3]

    • Nd3+离子能级主要有4F3/24F5/24I9/24I11/24I13/2,其跃迁关系如图3所示,粒子从4F3/2跃迁至I9/2能级可以产生910~945 nm波段激光,粒子从4F3/2跃迁至4I11/2能级可以产生1064 nm左右波段激光。

      图  3  Nd3+离子能级结构图

      Figure 3.  Energy level structure of Nd3+

      2018年,华南理工大学的Y. Zhang等采用掺杂浓度5.0-at.% Nd:YAG陶瓷,制备了Nd:YAG-SiO2光纤,利用1.8 cm长的光纤实现了斜率效率为6%的1064 nm的单频激光输出[47],如图4所示。使用YAG陶瓷作为芯棒,可以灵活控制材料组分和稀土粒子的掺杂浓度,实现高增益光纤的制备。但陶瓷芯棒存在更多的微观的气泡等缺陷,破坏了纤芯结构,增加了光纤的传输损耗。相比较而言,利用YAG晶体所制备的光纤具有更好的稳定性和更小的损耗。2021年,笔者课题组采用掺杂浓度2.5-at.% Nd:YAG晶体作为纤芯材料,利用熔芯二次拉制的方法制备了Nd:YAG-SiO2光纤,在1064 nm处增益系数为1.49 dB/cm,利用长度为9 mm的该光纤与3 dB带宽为0.057 nm的光栅组成DBR短腔,也成功实现的1064 nm单频激光输出,最大输出功率2.58 mW,光信噪比(Optical Signal Noise Ratio, OSNR)大于50 dB[48]

      图  4  (a) 单频激光器装置图;(b) F-P干涉仪测量的纵模特性[47]

      Figure 4.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer[47]

      除1064 nm波段外,Nd3+在900 nm波段也具有较大发射峰,但增益远小于1064 nm,因此要实现单频输出,需要使用更高增益的光纤。2019年,华南理工大学的Y. Wang等采用掺杂浓度1.0-at.% Nd:YAG晶体作为纤芯材料,利用熔芯法制备了Nd:YAG-SiO2光纤,在915 nm处增益系数为0.4 dB/cm,利用长度为3.5 cm的光纤作为增益介质,采用DBR短腔结构,实现了915 nm激光输出,但因为光纤增益不足等原因,没有实现单频激光输出[49]。2021年,笔者课题组采用掺杂浓度2.5-at.% Nd:YAG晶体作为纤芯材料,利用熔芯二次拉制的方法制备了Nd:YAG-SiO2光纤,在915 nm处增益系数为1.16 dB/cm,利用长度为6 mm的该光纤及反射带宽为0.08 nm的光栅,首次实现了该类光纤的915 nm单频激光输出,光信噪比大于50 dB,但由于光纤增益较小,所产生的激光功率仅为0.1 mW[50],如图5所示。

      图  5  (a) 单频激光器装置;(b) 输出功率与泵浦功率的关系;(c) 输出光谱[49]

      Figure 5.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Output spectrum[49]

      表1总结了近年来基于Nd:YAG-SiO2光纤单频激光器的研究进展。目前,利用熔芯法制备Nd:YAG-SiO2光纤,可以实现0.9 μm和1.06 μm单频激光的输出,但由于光纤增益小,损耗大,输出功率偏小。这主要是由于在光纤制备过程中,芯棒与包层发生相互扩散,引起稀土离子的掺杂浓度变低,导致光纤增益变小。目前,商用Nd:YAG晶体的掺杂浓度一般不超过2.5-at.%,而 Nd:YAG陶瓷或粉末虽可以实现更高浓度的掺杂,但其内部往往存在气泡与空隙,影响光纤的稳定性,增加光纤传输损耗。尚需要进一步改善Nd:YAG-SiO2光纤的制备工艺,实现高增益、低损耗光纤的制备。

      表 1  基于Nd:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

      Table 1.  Research progress of single-frequency fiber laser based on Nd:YAG-SiO2 fiber

      Core
      precursor
      Gain
      /dB·cm-1
      Gain
      fiber
      length
      /cm
      Power
      /mW
      Slope
      efficiency
      Refs
      Nd:YAG
      ceramic
      (5.0-at.%)
      1.57@
      1064 nm
      1.8-6%[47]
      Nd:YAG
      crystal
      (2.5-at.%)
      1.49@
      1064 nm
      0.92.581.26%[48]
      Nd:YAG
      crystal
      (2.5-at.%)
      1.16@
      915 nm
      0.60.10.11%[50]
    • Yb3+离子具有能级结构简单、荧光寿命长、量子效率高等优点,有利于在1.0 μm波段实现高功率的激光输出[51-53]。Yb3+离子主要包含两个多重能级,分别为基态能级2F7/2和激发态能级2F5/2,其中2F7/2分裂为a、b、c、d四个子能级,2F5/2分裂为e、f、g三个子能级,其跃迁关系如图6所示。Yb3+离子从2F5/2跃迁至2F7/2可以产生970~1140 nm之间的宽谱发射,且吸收波段与现有半导体激光器发射波长完美匹配。

      图  6  Yb3+离子能级结构图[54]

      Figure 6.  Energy level structure of Yb3+ [54]

      2018年,华南理工大学的Y. Zhang等利用浓度为10-at.% Yb:YAG陶瓷制备了Yb:YAG-SiO2光纤,利用1.7 cm长的该光纤,首次实现了该类光纤的1064 nm单频激光输出,但所制备的Yb:YAG-SiO2光纤20 μm的芯径与商用单模光纤存在较大尺寸失配,导致腔内插入损耗较大,斜率效率仅为3.8%[55]。2019年,笔者课题组用熔芯法制备了纤芯直径6.3 μm的Yb:YAG-SiO2光纤,从而降低了腔内插入损耗,所制备的光纤纤芯中Yb2O3浓度达到4.8 wt.%,光纤增益为1.7 dB/cm,传输损耗为0.005 dB/cm,并采用长度为1.4 cm的该光纤和带宽0.05 nm的光栅,实现了110 mW线宽93 kHz的1064 nm单频激光输出[56],如图7所示。此后,为了减少激光腔内熔接点处的热不稳定性所带来的线宽展宽,笔者课题组以1.4 cm长光纤所实现的1064 nm的单频作为种子,利用Yb3+掺杂的二氧化硅光纤(Nufern-SM-YSF-HI-HP)为增益介质组成的一级主振荡功率放大结构(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA)对种子光进行了放大,实现了激光线宽4 kHz,102 mW的1064 nm单频激光输出,并对激光器进行了系统集成,设计了激光二极管(Laser Diode, LD)泵浦恒流驱动电路、半导体制冷器(Thermo Electric Cooler, TEC)温控电路,以及LabView上位机控制系统[57]。该样机线宽为3 kHz,光信噪比约为63 dB,相对强度噪声(Relative Intensity Noise, RIN)在超过3.2 MHz为 −110 dB/Hz,48 h内波长漂移量为2 pm,功率输出波动(Root Mean Square, RMS)小于0.1%,如图8所示。

      图  7  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦功率的关系; (c) 输出光谱[56]

      Figure 7.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Output spectrum[56]

      图  8  (a) 实验装置图;(b) 内部结构;(c) 洛伦兹拟合的自外差信号;(d) Labview操作界面;(e) 样机;(f) 输出功率稳定性[57]

      Figure 8.  (a) Schematic diagram of experiment; (b) Internal structure; (c) Self-heterodyne signal with Lorentzian fitted linewidth; (d) Operation interface of Labview;(e) Prototype; (f) Output power stability[57]

      为实现线偏振单频激光输出,笔者课题组使用1.2 cm的Yb:YAG-SiO2光纤,采用保偏光栅作为输出耦合器,实现了最大输出功率大于60 mW的1066 nm线偏振单频激光输出,光信噪比约为80 dB,偏振消光比为27.8 dB,并在Yb3+掺杂的双包层保偏光纤(Nufern PLMA-YDF-10/125-M)中进行了放大,实现了14.5 W的线偏振单频激光输出[58],如图9所示。随后,又利用增益开关技术,实现了重复频率在10~250 kHz范围内可调的1064 nm单频脉冲激光输出,脉冲宽度为79 ns,线宽小于50 MHz[54]。此外,由于环形腔结构有利于实现更窄的激光线宽,利用Yb:YAG-SiO2光纤作为增益介质,采用Yb3+掺杂二氧化硅光纤(PM-YDF)作为可饱和吸收体搭建了环形腔,实现了40 mW的1070 nm单频激光输出,激光线宽小于4.3 kHz,并通过控制FBG的温度,实现了从1069.99~1070.42 nm的波长调谐[59]

      图  9  (a) 放大器示意图;(b) 输出功率和后向光功率与泵浦功率的关系;(c) 放大前后的激光线宽[58]

      Figure 9.  (a) Schematic diagram of amplifier device; (b) Output power and backward optical power with respect to pump power; (c) Laser linewidth before and after amplification[58]

      此外,Yb3+在0.9 μm波段也具有较高增益,可以用于产生该波段激光。2021年,笔者课题组采用熔芯法制备出在976 nm处增益系数为12.6 dB/cm的Yb:YAG-SiO2光纤,利用长度为8 mm的该光纤制作了DBR短腔,在915 nm激光的泵浦下,首次实现了基于该类型光纤的976 nm单频激光输出,激光最大输出功率为17.8 mW,对应斜率效率12.1 %,光信噪比大于45 dB,激光线宽小于41 kHz[60],如图10所示。

      图  10  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦功率的关系;(c) 洛伦兹拟合的自外差信号[60]

      Figure 10.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Self-heterodyne signal with Lorentzian fitted linewidth[60]

      采用熔芯法进行光纤拉制过程中,YAG纤芯在高温下融化,与软化的石英包层相互扩散,使两种材料在纤芯内混合相融,形成新的多组分玻璃纤芯,相互扩散程度会对光纤性能产生直接影响。为有效抑制纤芯与包层之间的相互扩散现象,2020年,上海大学的Y. Wen等利用CO2激光器作为加热装置,用熔芯法制备了Yb:YAG-SiO2光纤,该方法拥有更小的加热区域,有利于抑制纤芯与包层之间的相互扩散现象。他们利用长度为7 mm的该光纤制作了DBR短腔,实现了最大输出功率258 mW的1030 nm单频激光输出,对应斜率效率34.9%,光信噪比约为79 dB[61]图11所示。2021年,他们又通过环形腔结构,利用Yb:YAG-SiO2光纤作为增益介质,采用Bi3+/Er3+/Yb3+共掺杂二氧化硅光纤作为可饱和吸收体,实现了最大输出功率103.5 mW的1030 nm单频激光输出,激光线宽小于7.5 kHz[62]

      图  11  (a) 基于CO2激光加热的熔芯法;(b) 输出功率与泵浦功率的关系[62]

      Figure 11.  (a) Molten core method based on CO2 laser-heated; (b) Output power with respect to pump power[62]

      由于YAG与SiO2折射率差较大,因此所制备光纤的数值孔径(Numerical Apeture, NA)较大,与商用光纤熔接存在较大的模式失配损耗,为了降低 Re:YAG-SiO2光纤的数值孔径,2022年,北京工业大学的F. Qi等采用共沉淀法制备了Yb:YAG粉末,通过控制压力,将粉末压缩成柱状,并用压实的Yb:YAG陶瓷棒作为纤芯材料,利用熔芯法制备了Yb:YAG-SiO2光纤,所制备的光纤数值孔径为0.26,低于同类型的光纤,他们利用长度为1.0 cm的该光纤实现了1062 nm单频激光输出[63]。利用粉末制备的光纤,由于芯棒容易产生空隙和气泡,容易使光纤在制备过程中出现畸变或断裂,也易导致光纤传输损耗变大,因此需要更加复杂的制备工艺。

      Yb3+掺杂的YAG-SiO2光纤是该类光纤中研究最广泛的光纤。目前,采用不同芯棒材料(晶体、陶瓷、粉末),不同加热方式(石墨炉加热、CO2激光加热)制备光纤的工艺,以及基于该光纤的单频激光器均得到广泛的研究。表2汇总了近年来基于Yb:YAG-SiO2光纤的单频激光研究情况,可以看出,Yb:YAG-SiO2光纤可以实现高浓度的稀土离子掺杂,获得高于石英光纤的增益,并成功用于单频光纤激光器,实现了0.9 μm和1.0 μm的单频激光输出。但目前所制备的Yb:YAG-SiO2光纤除纤芯与包层相互扩散的问题外,由于YAG与SiO2折射率差较大,还会导致光纤数值孔径较大。在搭建单频激光器时,与商用光纤熔接存在较大的模式失配损耗,影响了激光输出性能。需要选择折射率等参数匹配的芯棒和套管材料,进一步降低光纤的数值孔径。

      表 2  基于Yb:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

      Table 2.  Research progress of single-frequency fiber laser based on Yb:YAG-SiO2 fiber

      Gain fiberWavelength/
      nm
      Output
      power/
      mW
      Slope efficiency
      OSNR/
      dB
      RMSLinewidth/
      kHz
      Refs
      Core
      precursor
      Doping/
      wt.%
      Gain/
      dB·cm−1
      Transmission loss/
      dB·cm−1
      NA
      Yb:YAG
      ceramic
      2.63@
      1064 nm
      0.03@
      1550 nm
      0.471064-3.8%---[55]
      Yb:YAG
      Crystal
      4.81.7@
      1064 nm
      0.005@
      1550 nm
      0.42106411018.5%800.51%@
      1 h
      93[56]
      Yb:YAG
      crystal
      -2.7@
      1064 nm
      --1064105.6
      MOPA
      17.1%
      Seed
      630.096%@
      48 h
      3[57]
      Yb:YAG
      crystal
      4.21.7@
      1064 nm
      0.005@
      1550 nm
      0.42106660.6
      Linear polariza-tion
      16.6%80<2.2%@
      6 h
      81[58]
      Yb:YAG
      crystal
      4.81.7@
      1064 nm
      0.005@
      1550 nm
      0.421064136
      Pulse
      peak
      ->60--[54]
      Yb:YAG
      crystal
      4.81.7@
      1064 nm
      0.005@
      1550 nm
      0.4210704510.2%600.36%@
      0.5 h
      <4.3[59]
      Yb:YAG
      crystal
      5.2512.6@
      976 nm
      0.06@
      1550 nm
      0.5097617.812.1%>45-<41[60]
      Yb:YAG
      crystal
      5.664.4@
      1030 nm
      -0.42103025834.9%79<0.85%
      @
      13 h
      171[61]
      Yb:YAG
      crystal
      6.576.0@
      1030 nm
      0.006@
      1550 nm
      -1030103.518.3%>630.65%@
      10 h
      <7.5[62]
      Yb:YAG
      powder
      4.53-0.054@
      1550 nm
      0.261062~4215.3%600.68%
      @
      1 h
      230[63]
    • 1.5 μm波段的激光具有对人眼安全的优点,且位于通讯和大气传输的窗口,该波段的单频光纤激光器具有广泛的应用潜力,如自由空间通信、高分辨率光谱学、大气遥感等[2,4],因此得到了越来越多的研究,而实现1.5 μm的激光输出主要基于掺Er3+或Er3+/Yb3+共掺的增益光纤。Er3+离子能级结构图如图12所示,Er3+离子的主要吸收过程有三个,分别由基态能级4I15/2跃迁至4I13/24I11/24I9/2,分别对应于800 nm,980 nm,1480 nm三个泵浦波长。Er3+离子的荧光发射过程发生在4I13/24I15/2之间。对于石英基质来说,由于浓度猝灭效应,很难实现Er3+离子高浓度掺杂,限制了其激光性能。而YAG-SiO2光纤由于Al3+与Y3+离子的存在,提高了Er3+离子在SiO2中的溶解度,从而有望实现更高的增益。

      图  12  Er3+离子能级结构图[54]

      Figure 12.  Energy level structure of Er3+[54]

      2021年,笔者课题组采用熔芯法制备了不同掺杂浓度的Er:YAG-SiO2光纤,研究了其性能,其中以掺杂浓度5-at.% Er:YAG为前驱体材料制备的光纤性能最佳,其纤芯Er2O3的浓度为2.96 wt.%,在1550 nm处的增益系数为1.46 dB/cm,在 976 nm泵浦吸收系数达到~1.56 dB/cm。基于长度为1.8 cm的该增益光纤制作了DBR短腔,实现了最大输出功率24.2 mW的1550 nm自调Q脉冲单频激光输出,相应斜率效率为15.1%,在3 h内最大功率下的输出波动为0.23%,单脉冲能量为32.7 nJ,脉冲持续时间为78 ns,重复频率为739 kHz,光信噪比大于75 dB[39],如图13所示。

      图  13  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出功率与泵浦吸收功率的关系;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性;(d) 单脉冲波形[39]

      Figure 13.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump absorption power; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer; (d) Typical trace of single pulse[39]

      由于Er3+在976 nm泵浦光处的吸收系数较小,而Yb3+在该波段则具有较大的吸收系数,通过Er3+和Yb3+间的能量转移可提高对泵浦光的吸收效率。笔者课题组利用改进的管内共熔法,将Er:YAG与Yb:YAG晶体加工成半圆形,拼接在一起放入同一石英管组成光纤预制棒,成功制备了掺杂Er3+/Yb3+共掺的YAG-SiO2光纤,其在1550 nm处增益为2.33 dB/cm,高于此前Er:YAG-SiO2光纤的1.46 dB/cm,并利用长度1.9 cm的该光纤制作了DBR短腔,成功实现了1570 nm的单频激光输出[54],如图14所示。

      图  14  (a) 管内共熔法示意图;(b) 输出光谱;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性[54]

      Figure 14.  (a) Schematic of the co-melt in tube method; (b) Output spectrum; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P interferometer[54]

      表3总结了近年来基于Re:YAG-SiO2光纤的1.5 μm波段单频激光器的研究情况,可以得到,利用Er:YAG-SiO2光纤和Er/Yb:YAG-SiO2光纤可以实现1.5 μm波段的单频激光输出。其中通过将不同稀土掺杂的YAG晶体拼接,利用管内共熔的方法,可以制备出多种稀土离子共掺的特种光纤,具有不同新颖特性,例如:利用Er:YAG与Yb:YAG制备Er3+/Yb3+共掺的光纤可以增加对泵浦激光的吸收,而Ho3+/Cr3+/Tm3+共掺的YAG-SiO2光纤,则可以有效增加增益光谱的宽度,有利于实现锁模激光输出。利用管内共熔法实现多种稀土离子共掺,工艺相对简单,能够根据需要,对光纤性能,如非线性效应、折射率、光谱及脉冲特性等进行灵活调控。

      表 3  1.5 μm波段Re:YAG-SiO2光纤的单频激光器研究进展

      Table 3.  Research progress of single-frequency fiber laser based on Re:YAG-SiO2 fiber in 1.5 μm band

      Core precursorDoping/wt.%Gain/dB·cm-1Power/mWSlope efficiencyRefs
      Er:YAG ceramic Er2O3: 2.96 1.46 @ 1550 nm 24.2 15.1% [39]
      Er:YAG crystal + Yb:YAG crystal Er2O3: 2.51 Yb2O3:2.38 2.33@ 1550 nm - - [54]
    • 2.0 μm波段的激光具有对人眼安全、大气透过率高、且与多种其他化合物(H2O、CO2、CH4等)的部分吸收谱线重合等优势,受到了科研人员广泛关注。其中2.0 μm单频光纤激光器广泛应用于激光测风雷达、环境监测和激光医疗等领域[64-66]。Tm3+离子掺杂的光纤是实现2.0 μm波段光纤激光输出的常用增益介质,其中Tm3+离子的能级结构如图15所示,Tm3+离子的吸收过程主要有三个,分别由基态能级3H6跃迁至3H43H53F4,分别对应于793 nm,1200 nm,1650 nm三个泵浦波长。Tm3+离子的荧光发射过程发生在3F43H6能级之间,可以产生1700~2100 nm范围内的荧光。

      图  15  Tm3+离子能级结构图

      Figure 15.  Energy level structure of Tm3+

      2018年,华南理工大学的Y. Zhang等利用熔芯法制备了Tm:YAG-SiO2光纤,并利用13 cm长的Tm:YAG-SiO2光纤作为激光增益介质,采用DBR腔结构,实现了该类光纤的1950 nm激光输出,对应斜率效率为12.8%[23]。2021年,笔者课题组基于熔芯法制备了Tm:YAG-SiO2光纤,利用长度为2 cm的Tm:YAG-SiO2光纤制作了DBR短腔,在1580 nm激光的泵浦下,实现了该类光纤的1940 nm单频激光输出,但由于Tm3+离子对1580 nm泵浦光吸收效率有限,且腔内插入损耗较大,导致最大单频激光输出功率为1.8 mW,此外测得相对强度噪声在210 kHz频率处,弛豫振荡峰值为−75 dB/Hz,过 3.5 MHz 后,RIN稳定在−125 dB/Hz。激光装置及参数如图16所示。

      图  16  (a) 单频激光器示意图;(b) 输出光谱;(c) F-P干涉仪测量的纵模特性;(d) 输出功率与泵浦功率、泵浦吸收功率的关系

      Figure 16.  (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output spectrum; (c) Longitudinal mode characteristics by F-P inter-ferometer; (d) Output power with respect to pump power and pump absorption power

      Tm:YAG-SiO2光纤制备及在单频激光器的应用,验证了Re:YAG-SiO2特种光纤可以应用于2.0 μm波段。由于Tm3+在1.6 μm波段具有比1.5 μm更高的吸收,如能采用1.6 μm激光泵浦,有利于实现更高功率的单频激光输出。此外,结合管内共熔法,利用Tm:YAG与Ho:YAG制备Tm3+/Ho3+共掺的YAG-SiO2光纤,将有可能实现2.1 μm波段激光输出。

    • 文中针对基于Re:YAG-SiO2特种光纤单频光纤激光器的研究进展进行了全面综述,包括Re:YAG-SiO2特种光纤的制备,表征及测试,不同稀土离子掺杂的YAG-SiO2光纤在1.0 μm,1.5 μm和2.0 μm波段的单频激光及应用等。从目前的研究进展看,采用熔芯法制备基于Re:YAG-SiO2的特种光纤,工艺相对简单,可以在光纤中灵活实现不同稀土离子掺杂。所制备的钇铝硅酸盐玻璃光纤,增益虽仍小于磷酸盐光纤,但高于常规的石英光纤,且具有较好的机械和热力学性能,有潜力成为一种通用的基质材料,应用于单频光纤激光器。

      目前, Re:YAG-SiO2光纤的制备及在单频光纤激光器的应用中尚存在一些问题,主要包括以下几个方面:首先,YAG与SiO2折射率差较大,因此所制备光纤的数值孔径较大,与商用光纤熔接存在较大的模式失配损耗,需选择折射率等参数匹配的芯棒和套管,或掺入低折射率材料等方法降低数值孔径;其次,光纤制备过程中,YAG与SiO2的相互挤压、扩散尚难以准确控制,影响光纤的稳定性,不同扩散程度也会影响稀土离子掺杂浓度和光纤数值孔径;第三,与传统石英光纤相比,Re:YAG-SiO2特种光纤传输损耗较大,需要在拉制工艺、材料选择上进一步改进;第四,Re:YAG-SiO2特种光纤的形成机制和光纤制备的理论模型,尚未建立,有待摸索;此外,目前国内外研究者所制备Re:YAG-SiO2特种光纤的传输损耗、长距离均匀性等参数与成熟的石英光纤相比仍存在较大差距,限制Re:YAG-SiO2特种光纤的应用范围;基于Re:YAG-SiO2特种光纤的单频激光技术仍主要集中在小功率的单频激光器上,对于其在大功率的单频激光放大技术的研究较少,需进一步改进光纤制备工艺,探索双包层Re:YAG-SiO2特种光纤的制备,拓展其在高功率光纤激光器的应用途径;最后,光纤性能参数对单频激光器噪声的影响也尚未进行系统报道,有待进一步研究。

参考文献 (66)

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