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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]。
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Nd3+离子能级主要有4F3/2、4F5/2、4I9/2、4I11/2和4I13/2,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。
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]。
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。
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。
Table 1. Research progress of single-frequency fiber laser based on Nd:YAG-SiO2 fiber
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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。
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。
Figure 7. (a) Schematic diagram of single-frequency laser; (b) Output power with respect to pump power; (c) Output spectrum[56]
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]。
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。
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],如图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]。
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。
Gain fiber Wavelength/
nmOutput
power/
mWSlope efficiency OSNR/
dBRMS Linewidth/
kHzRefs Core
precursorDoping/
wt.%Gain/
dB·cm−1Transmission loss/
dB·cm−1NA Yb:YAG
ceramic2.6 3@
1064 nm0.03@
1550 nm0.47 1064 - 3.8% - - - [55] Yb:YAG
Crystal4.8 1.7@
1064 nm0.005@
1550 nm0.42 1064 110 18.5% 80 0.51%@
1 h93 [56] Yb:YAG
crystal- 2.7@
1064 nm- - 1064 105.6
MOPA17.1%
Seed63 0.096%@
48 h3 [57] Yb:YAG
crystal4.2 1.7@
1064 nm0.005@
1550 nm0.42 1066 60.6
Linear polariza-tion16.6% 80 <2.2%@
6 h81 [58] Yb:YAG
crystal4.8 1.7@
1064 nm0.005@
1550 nm0.42 1064 136
Pulse
peak- >60 - - [54] Yb:YAG
crystal4.8 1.7@
1064 nm0.005@
1550 nm0.42 1070 45 10.2% 60 0.36%@
0.5 h<4.3 [59] Yb:YAG
crystal5.25 12.6@
976 nm0.06@
1550 nm0.50 976 17.8 12.1% >45 - <41 [60] Yb:YAG
crystal5.66 4.4@
1030 nm- 0.42 1030 258 34.9% 79 <0.85%
@
13 h171 [61] Yb:YAG
crystal6.57 6.0@
1030 nm0.006@
1550 nm- 1030 103.5 18.3% >63 0.65%@
10 h<7.5 [62] Yb:YAG
powder4.53 - 0.054@
1550 nm0.26 1062 ~42 15.3% 60 0.68%
@
1 h230 [63] Table 2. Research progress of single-frequency fiber laser based on Yb:YAG-SiO2 fiber
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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4I13/2,4I11/2和4I9/2,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4I13/2与4I15/2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。
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。
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。
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。
Table 3. Research progress of single-frequency fiber laser based on Re:YAG-SiO2 fiber in 1.5 μm band
Research progress of single-frequency fiber laser based on Re: YAG-SiO2 fiber (Invited)
doi: 10.3788/IRLA20220133
- Received Date: 2022-02-28
- Rev Recd Date: 2022-04-10
- Available Online: 2022-07-11
- Publish Date: 2022-07-05
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Key words:
- single-frequency laser /
- fiber laser /
- Re:YAG-SiO2 fiber /
- yttrium aluminum silicate fiber
Abstract: Re:YAG-SiO2 multicomponent glass fiber is fabricated by a molten core method, in which a Re:YAG is used as the core material and a quartz tube is used as the cladding material. It has the advantages of high doping concentration, high mechanical strength, and is easy to fuse with quartz fiber. Recently, the single-frequency fiber laser has been studied extensively based on the Re:YAG-SiO2 fiber. In this paper, the development of the Re:YAG-SiO2 fiber fabrication and the single-frequency laser technology based on Re:YAG-SiO2 fiber in 1.0 μm, 1.5 μm and 2.0 μm were reviewed. The difficulties and challenges of Re:YAG-SiO2 fiber fabrication and single-frequency laser based on this type of fiber were also given.