▎導 讀

3 μm激光處于分子指紋區，對CH?、H?O、CO?等分子具有很高的吸收峰，在醫療、氣體檢測、軍事等領域具有重要的應用價值。Er3?:ZBLAN光纖激光器具有效率高、可集成的優點，是3 μm激光的主要輸出方式。然而，由于ZBLAN光纖本身的機械性能較差、中紅外器件的制備工藝難度大、作為可飽和吸收體的材料損傷閾值不高等缺點，導致其發展緩慢。因此，開發綜合性能優異的3 μm波段Er3?:ZBLAN激光器具有重要的研究意義。

近日，中國計量大學田穎教授及劉永巖碩士等在《發光學報》（EI、Scopus、核心期刊）發表了題為“3 μm波段Er3?:ZBLAN光纖激光器研究進展及展望”的綜述文章。

綜述圍繞Er3?:ZBLAN激光器，介紹了3 μm激光的產生方式及Er3?:ZBLAN光纖的基本工作原理，總結了實現該波段高功率連續輸出和脈沖輸出的技術方案和研究進展，重點介紹了基于不同材料可飽和吸收體的調Q 和鎖模激光器實驗研究，并對目前實現3 μm 波段高功率輸出需要解決的問題進行了分析，最后對Er3?:ZBLAN 光纖激光器的發展方向進行了展望。

▎引言

目前實現3 μm波段激光輸出的方式可以分為四種：氣體激光器、量子級聯激光器、非線性頻率變換激光器和稀土摻雜光纖激光器。其中氣體激光器體積龐大，量子級聯激光器只能在低溫環境下運行，非線性頻率變換激光器搭建較為復雜。與上述三種激光器相比，稀土摻雜光纖激光器具有高增益和轉換效率、光束傳輸質量好、結構緊湊和功率可擴展等優點，未來有望成為3 μm波段主流激光器。

光纖激光器的核心是基質材料和增益離子，氟化物玻璃具有低聲子能量（500~600 cm-1）和低損耗的優勢，可以摻雜多種稀土離子，是3 μm波段最佳的光纖基質。目前發展最為成熟的氟化物光纖是ZBLAN光纖（ZrF4-BaF2-LaF3-AlF3-NaF），其離子的高濃度摻雜技術已實現商業化。Er3?、Ho3?、Dy3?是可在3 μm波段產生激光的稀土離子，其中采用Er3?做摻雜離子時，可使用成熟的商業半導體激光器進行泵浦，也促使Er3?:ZBLAN激光器得到迅速的發展。

▎3 μm波段Er3?:ZBLAN連續激光器

實現3 μm波段Er3?:ZBLAN激光連續輸出的光路結構一般有兩種，分別為空間耦合結構與全光纖結構。空間耦合是最常用的光耦合方法，操作簡單，圖1為空間耦合光路結構的兩種輸出方式，（a）圖為后端輸出，（b）圖為前端輸出。基于鉺離子的能級躍遷，泵浦光在光纖中轉換為3 μm激光，與后端輸出相比，前端輸出結構使得泵浦光在光纖中行走的路程更長，因而轉換效率更高。

圖1：Er3?:ZBLAN激光器空間耦合光路（a）后端輸出和（b）前端輸出結構。

由于氟化物光纖本身的物理性質，光纖在實驗中產生的熱量會持續積累，從而對端面造成損傷，所以需要對光纖進行散熱和端面除水處理。圖2是兩種常見光纖散熱結構簡圖，分別采用液體與纖身直接接觸和間接接觸的方式對光纖進行降溫。圖2（a）為直接冷卻法，采用的液體一般為循環流動的氟碳液體冷卻劑，溫度控制在20 ℃左右，將光纖浸泡在充滿氟碳液體冷卻劑的鋁板中以達到降溫的目的。圖2（b）為間接冷卻法，在鋁板內部通水以保持20 ℃的恒定溫度，通過鋁板與纖身的接觸來進行散熱。    

圖2：光纖散熱結構簡圖。（a）液體直接冷卻；（b）液體間接冷卻

與空間耦合相比，全光纖結構可以完美的避開端面因光子碰撞產生的熱損傷，從而提高激光器損傷閾值，圖3為Er3?:ZBLAN激光器全光纖結構裝置示意圖，實現全光纖技術的關鍵是泵浦尾纖與氟化物光纖的熔接（S1）、光纖端帽的熔接（S2）、高反和低反光纖光柵（HR-FBG和LR-FBG）的寫入。其中光纖光柵是利用光纖的光敏性，對光纖纖芯折射率進行周期性調制的一種無源器件，它與光纖兼容度很高，在光路中起到振蕩反饋、濾波和波長調諧的作用。ZBLAN光纖光敏性低，可以利用材料的非線性吸收特性，通過相位掩模法與激光直寫法直接將光柵刻入光纖內。

圖3：Er3?:ZBLAN激光器全光纖結構裝置示意圖

▎3 μm波段Er3?:ZBLAN脈沖激光器

脈沖激光器的光路結構是在連續輸出激光器的基礎上進行改進，將二維材料制成的可飽和吸收體插入諧振腔內，利用材料的可飽和吸收特性對光路進行調Q和鎖模調制，可以短時間內輸出大量能量。如圖4所示，一般采取（a）直型腔和（b）“Z”型腔將飽和吸收體集成到光路中。與直型腔相比，“Z”型腔可以將光高效的匯聚在飽和吸收體上，有效避免了腔內寄生振蕩的產生。目前半導體可飽和吸收鏡（SESAM）是發展最為成熟的商用可飽和吸收體，但其價格昂貴，工作波長最遠只能到3 μm，近年來石墨烯、黑磷、Fe2?:ZnSe、拓撲絕緣體、過渡金屬硫化物等新型材料由于其獨特的結構特性，已逐漸成為2.7~3 μm波段可飽和吸收體的熱門材料。    

圖4：Er3?:ZBLAN脈沖激光器常見光路結構簡圖。（a）直型腔；（b）“Z”型腔

▎結論與展望

3 μm激光獨有的光學特性使其在各領域均有極大的應用價值，近年來研究學者的不懈努力，促進了3 μm波段光纖激光器的迅速發展。但仍存在一些難以攻克的技術難題，如受斯托克斯極限的限制，泵浦轉化效率無法超過35%；ZBLAN光纖材料機械性能差，拉制困難、制備成本高；光柵刻寫、氟化物光纖的熔接、光纖端面處理工藝操作復雜，難以全面推廣；現有的飽和吸收體材料損傷閾值低等問題。盡管目前中紅外波段光纖激光器的發展相對近紅外激光的發展仍有差距，隨著國家對3 μm激光器需求的增加，相信在未來幾年內，中紅外激光器有望實現高功率、低成本、商業化的發展。

▎論文信息

劉永巖，田穎*，楊雪瑩，蔡恩林，李兵朋，張軍杰，徐時清，3 μm波段Er3?∶ZBLAN光纖激光器研究進展及展望[J].發光學報,2024,45(01):125-138. DOI: 10.37188/CJL.20230258

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