光纤激光器的研究现状与应用前景.doc

1． 引言? ?　早期用于光纤激光器和光纤放大器的光纤多为单包层光纤，普通的掺稀土单模光纤的纤芯只有数微米，抽运光很难有效耦合到光纤纤芯中去。因此，光纤激光器通常被认为是一种低功率的光子器件。近年来随着新型双包层光纤的出现和包层抽运技术的发展，光纤激光器的功率输出呈现指数级增长。最近，单模光纤激光器的激光输出功率已达到千瓦量级以上。? ? 　目前，研究较多的光纤激光器主要为掺稀土光纤激光器。掺稀土光纤激光器所使用的光纤基质材料，主要有石英玻璃和多组分玻璃两大类，而多组分玻璃又包括氟化物玻璃、磷酸盐玻璃、碲酸盐玻璃、锗酸盐玻璃以及混合系统玻璃等。本文主要概述并展望了玻璃光纤及光纤激光器的研究现状与应用前景。 ? ? 　2．不同波长光纤激光器的研究进展? ? 　目前，根据稀土掺杂种类和激光发射波长的不同，已成功研制的光纤激光器主要包括下述4种：? ? 　1) 1.0 μm附近 (掺Yb3+，Nd3+) 光纤激光器? ? 　1.0 μm附近光纤激光器由于在光纤通信、激光制导、倍频激光光源、抽运光源等领域的应用而得到了广泛研究。目前，1.0 μm附近光纤激光器的掺杂稀土离子主要有Yb3+离子和Nd3+离子等。早在上世纪80年代中期，Alcock等便在Nd3+离子掺杂光纤中实现了Nd3+离子4F3/2→4I9/2的激光发射，该激光波长在900~945 nm内可调。而后，随着激光抽运光源的完善，Yb3+离子掺杂光纤激光器也被成功研制出来，其激光输出波长的调谐范围达到1.01~1.16 μm。近年来，国内南开大学、中科院上海光机所、华南理工大学等课题组以掺Yb3+（掺Nd3+）玻璃光纤作为增益介质，相继研制了1.0 μm附近激光输出的光纤激光器，并获得了较佳的激光光束质量和较高的输出功率。目前，英国南安普顿大学的课题组掺Yb3+石英光纤激光器已实现了1800 W的高功率激光输出。? ? 　2) 1.5 μm附近 (掺Er3+，Er3+/Yb3+) 光纤激光器? ? 　由于激光输出波长位于石英光纤的1.5 μm光通信窗口附近，掺Er3+光纤激光器自上世纪90年代以来，成为了国内外研究的热点。随着研究者们对Er3+掺杂以及Er3+/Yb3+共掺玻璃光纤的激光输出性能的深入研究，关于1.5 μm附近光纤激光器的研制已较成熟。英国南安普顿大学已经研制出了1.5 μm附近激光输出功率超过150 W的光纤激光器，美国的NP Photonics公司、亚利桑那大学，以及我国南开大学、华南理工大学等研究机构也已经独立研制出1.5 μm附近激光输出的掺Er3+光纤激光器。 华南理工大学光通信材料研究所自主研制的Er3+/Yb3+)共掺窄线宽单频光纤激光器 ? ? 　3) 2.0 μm附近 (掺Tm3+，Ho3+) 光纤激光器　　2.0 μm激光是人眼安全的激光，在气象监测、激光测距、激光雷达、遥感等方面具有广泛应用。此外，水分子在2.0 μm附近有强烈的中红外吸收峰，用该波段激光进行手术，有利于加快血液凝结，减小手术创伤，因此，中红外光纤激光器在医疗和生命科学领域也具有重要的应用。目前，用于2.0 μm附近中红外激光输出的激光激活粒子主要有Tm3+和Ho3+离子等。利用Tm3+离子的3F4→3H6和Ho3+离子的5I7→5I8跃迁发射，可分别获得波长位于2.0 μm和2.1μm 附近的激光输出。早在1989年，Hanna等采用波长为1.064 μm的Nd:YAG激光器作为抽运源，在掺Tm3+石英光纤中实现了2.038 μm的激光发射。由于玻璃光纤的非晶态属性，Tm3+离子的激光发射波长可以在较大范围内调谐。美国NP Photonics公司的Geng等在掺Tm3+锗酸盐玻璃光纤激光器中，实现了位于1740~2017 nm、最大功率达到50 mW的单频激光输出。最近，美国Northrop Grumman 公司运用组束的方法，在单模掺Tm3+光纤激光器系统中实现了波长2040 nm、功率达到608 W的激光输出。Ho3+离子掺杂光纤激光器通常通过与Tm3+离子的共掺来实现中红外激光的高效发射，运用800nm附近的激光对Ho3+ ，Tm3+ 共掺光纤进行抽运，Tm3+和Ho3+ 离子之间可以发生有效的能量传递，从而实现波长在2.0~2.1 μm的高效激光输出。　　4) 2.8 μm附近 (掺Ho3+，Er3+ 光纤激光器? ?　由于2.8 μm附近存在较强的水分子吸收峰，因此，该波段光纤激光器在生物、医疗等领域具有潜在的应用。此外2.8 μm光纤激光器还可以用作中远红外激光器的抽运光源，因此，研究者们对2.8 μm附近激光输出的光纤激光器进行了研究。目前，利用Er3+离子的4I11/2→4I13/2和Ho3+离子的5I6→5I7跃迁发射，可