高效氟茚酸玻璃光纤激光器的研究和设计原理

目前，氟锆酸盐玻璃是支撑光纤激光系统的主要材料，其发射的中红外光谱范围约为3µm。成熟的制造方法提供了低损耗光纤和低（约600cm-1）声子能量，支持光学增益略高于3.5µm。然而，尽管有许多报道的功率和效率记录，氟锆酸盐玻璃在中等高功率负载下容易发生故障。光纤端故障是氟锆酸玻璃光纤激光器的一个重要问题，限制了以水（蒸汽）吸收峰为中心的宽范围发射波长上的功率提升潜力。光纤端盖是一种可行的解决方案，可以将输出功率水平提高到30W以上，并继续进一步扩大功率，从而解决材料加工、医学和工业中的应用。

氟铟玻璃是氟锆酸盐的一种很有前途的替代品。较低的最大声子能量≈509cm-1提供了扩展的中红外透明度，这导致使用稀土掺杂的氟茚酸盐光纤观察到超过4.2µm的发射和4µm区域的创纪录输出功率水平。氟茚酸盐玻璃的耐水性测量表明，这种材料有可能成为氟锆酸盐玻璃更坚固的替代品，在中红外范围内提供更高功率水平的潜力。研究人员发现了使用各种掺杂剂在3-4µm区域进行激光发射的可能性，包括Ho3+、Ho3+/Eu3+、Er3+和Pr3+/Yb3+。迄今为止，抑制功率提升潜力的限制因素之一是效率都远低于斯托克斯极限，这表明背景损耗可能最终限制从这种玻璃可能获得的效率和功率水平。

光纤激光器[图1(a)]被布置为标准线性腔，使用掺杂到5000ppm水平的单包层掺镝氟茚酸玻璃光纤（法国LeVerreFluoré）。该光纤的纤芯直径为12µm，数值孔径为0.175，截止波长为2.74µm。因此，泵浦波长和信号波长都在具有强模式重叠的单模区域中传播。使用二极管泵浦的掺铒氟锆酸盐光纤激光器作为泵浦源，波长为2.825µm，以靶向镝吸收截面的峰值[图1(c)]。在这里，研究人员使用了类似于Majewski和Jackson的Dy（2000ppm）掺杂的氟锆酸盐的测量横截面，因为从数值模拟和测量之间的良好一致性中发现，氟锆酸玻璃的横截面足以对氟茚酸盐玻璃进行建模。使用两个ZnSe非球面透镜（12mm焦距）以大约80%的耦合效率将泵浦输送到掺镝氟茚酸盐光纤。对于自由运行系统，激光反馈由输入光纤端面上的对接耦合CaF2二向色镜提供，该反射镜在3µm以上具有高反射性（HR，>98%），在泵浦波长下具有高透射性（>90%）。垂直光纤端裂被用作具有大约4%反射的输出耦合器。激光输出用未涂覆的CaF2平凸透镜准直，剩余的未吸收泵用带通滤波器（Thorlabs，FB3250-500）分离。

图1 (a)自由运行掺镝氟铟光纤激光器的实验布局。（b）Dy3+离子的简化能级图。（c）测量了掺镝氟锆酸盐的吸收和发射截面光谱。

2.825µm的带内泵浦填充第一激发态（6H13/2），这导致6H13/2的宽中红外发射→6H15/2过渡。对于自由运行实验，基于数值模型选择了0.74米的光纤长度，该模型已被证明可以准确地模拟激光运转。在发射的泵浦功率的约0.49W处观察到激光阈值。使用光谱分析仪（OSA，YokogawaAQ6376E）测量中心激光波长，发现其为3.047µm，如图2所示。关于发射的泵浦功率，记录了82%的斜率效率（斯托克斯极限，93%），如图3所示。0.36W的最大输出功率受到自由空间聚焦设置的限制，该设置导致约20%的包层发射光，从而导致热问题。通过泵浦光纤和激光光纤的直接拼接，可以实现发射效率的提高和输出功率的提高。激光器的性能与数值模型一致，该模型通过求解仅代表每个Dy3+能级的两个速率方程的系统并假设背景损耗低至0.05dB/m来预测相同的阈值和斜率效率，如图4所示。

图2 自由运行的掺镝氟铟光纤激光器的激光光谱。

图3 激光输出功率相对于发射的泵浦功率。

图4掺镝氟茚酸盐芯吸收光谱。

研究人员有意使用相对较高浓度的Dy3+（这迫使光纤长度更短）来进一步减少背景损耗的影响，因为背景损耗是影响之前结果的主要参数。虽然3.05µm的确切背景损耗值的实验估计因信号波长与镝吸收的强烈重叠而变得复杂（图4），但仍然看到实验和模拟之间的良好一致性，这表明背景损耗现在不是限制因素，与之前的工作形成对比。此外，已知带内泵浦不存在任何共振能量传输机制（激发态吸收），这些机制会增加信号损耗并降低3µm区域的斜率效率。最终，实验清楚地表明，氟茚酸盐玻璃是下一代中红外光纤激光器的可靠宿主。

由于没有光谱选择性反馈，激光波长在3030-3050nm范围内移动，较高的功率对应于较长的波长。因此，研究人员采用了定制的高反射光纤布拉格光栅，中心波长为3.2µm。如先前在无源氟锆酸盐和氟茚酸盐玻璃纤维中所证明的，通过利用飞秒激光逐行技术将光栅直接内切到有源光纤（5000ppm）中。所使用的激光器是二极管泵浦的Yb:KGW放大器系统，工作在1030nm的中心波长和240fs的脉冲持续时间。研究人员制作了一个14mm长的二阶光栅，每脉冲能量为400nJ，平移速度为20µm/s，重复频率为1kHz，产生了强烈的折射率变化线，没有任何可见损伤，如差分干涉对比显微镜所证实的（图5）。校正轴环有意对用于制造的0.4倍数值孔径显微镜物镜进行微调，以确保改性线也在铭文光束的方向上（垂直于图5所示的平面）填充整个光纤芯。考虑到Dy3+离子在光纤布拉格光栅的反射率区域中的大吸收，无法直接测量光栅反射率。

图5中心波长为3.2µm的高反射光纤布拉格光栅的差分干涉对比照片。

为了估计光纤布拉格光栅的反射率，研究人员在泵浦输入侧使用第一次实验的高反镜，并将光纤布拉格光栅作为输出耦合器，形成了一个高品质腔。然后，使用代码来匹配测量的斜率效率（30%）和阈值（120mW），这导致反射率在给定相对长（14mm）的光纤布拉格光栅的情况下，约为98%，这是预期的。激光光谱，如图6插图所示。由于光栅相对较长，预计线宽将远低于光谱分析仪的100pm分辨率限制。然而，没有进行额外的测量来确定发射线宽的确切值。3200.3±0.1nm的记录波长进一步证明，逐行刻字工艺提供了针对任意波长的灵活性，使用有源和无源商用氟茚酸盐光纤，以满足许多应用需求。

图6 激光腔的测量激光输出功率相对于发射的泵浦功率，该激光腔包括在泵浦输入侧的高反（>98%）二向色镜和作为输出耦合器的光纤布拉格光栅。插图：测量的激光光谱。该测量允许估计光纤布拉格光栅的反射率。

作为下一步，研究人员进行了优化，以提高基于光纤布拉格光栅的腔的性能。新的光纤激光器布置包括作为输入反射器的光纤布拉格光栅和作为输出耦合器的对接耦合50%电介质反射镜，完成了0.49m长的腔。在这里，选择更高输出的耦合器是一种预防措施，因为光纤布拉格光栅中的额外泵浦散射会导致热管理问题；因此，将阈值保持在较低水平，同时限制可实现的最大斜率效率。因此，测量到降低的阈值泵浦功率为0.35W，斜率效率为66%，最大输出功率为160mW（图7）。当发射的泵浦超过0.6W且输出功率开始下降时，激光器变得不稳定。模拟结果说明了光纤布拉格光栅中泵浦的≈0.9dB反射（损耗），这被认为是由包层模式耦合引起的。如果没有这些额外的损失，估计的斜坡效率可能高达80%。为了证实观察结果，研究人员从腔中取出50%的反射镜，并通过从光纤的每一端依次发射来测量2.825µm的未吸收泵浦功率（图8）。测量到这两种情况之间的发射功率差约为0.8dB，证实了光纤布拉格光栅中的包层模式耦合发生在2.825µm的假设。在约0.84W的发射泵浦功率下，观察到光纤的泵浦输入侧端故障；这是玻璃-空气界面处局部高泵浦强度的结果。为了避免这个问题，实现拼接和端盖是一个常见的解决方案。从根本上说，开发氟化物光纤组件，例如用于所有光纤结构的泵浦组合器将非常受欢迎。