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    中红外2.8 m波段光纤激光器于多个运用范畴具备广泛的用途及潜力，它于医疗、军事、气体检测等范畴已经获得了快速的成长与运用，如于医疗范畴，中红外激光手术刀因具备非接触性子及笼罩水接收峰，于2.8 m波段，脂类及卵白质具备强接收截面，有助在手术历程中的凝血及提妙手术精度；于军事范畴，2.8 m波段光纤激光器可用在激光批示与节制、对准与测距、激光雷达、防备性激光兵器及光学通讯等多个方面；于气体检测范畴，2.8 m波段光纤激光器可用在检测及阐发特定气体的接收谱线。

跟着稀土掺杂离子氟化物光纤的快速成长，2.8 m-3.5 m波段的中红外光纤激光器已经经陆续实现乐成开发。这些中红外波段光纤激光器所孕育发生的持续光输出，重要源自在光纤中的差别稀土离子，如Er3+、Ho3+/Pr3+以和Dy3+离子的电子跃迁历程。与石英光纤比拟，氟化物光纤于中红外波长区域（跨越2 m）具备更高的光传输率。稀土的某些能级与玻璃中的掺杂离子比拟，氟化物玻璃中的掺杂离子也体现出较长的寿命。跟着掺杂稀土离子ZBLAN光纤的快速成长，2.8 m波段光纤激光器研究也获得了飞快的进展。

这个波段的激光凡是是基在Er3+、Ho3+/Pr3+及Dy3+跃迁引发而实现的。2.8 m光纤激光器的成长受益在激光器技能的前进、光纤技能的成长。新型的激光器设计、质料的选择以和新型光纤质料及布局改良了光纤的传输特征，使患上2.8 m波段的激光器可以或许具有更高的功率及更好的光束质量。经由过程转变氟化物光纤掺杂离子的种类及浓度，锁模氟化物光纤激光器可以或许实现差别波长的中红外超短激光输出。

半导体可饱及接收镜及二维质料作为Er：ZBLAN光纤锁模器件孕育发生的锁模脉冲宽度年夜多于ps量级。直到2015年，S. Duval课题构成功实现了2.8 m波段的飞秒锁模脉冲，采用的增益介质为Er：ZBLAN光纤，并使用非线性偏振扭转技能作为锁模要领，终极得到的脉冲宽度为207 fs[1]。非线性偏振扭转技能于掺铒氟化物光纤激光器中的乐成使患上2.8 m波段的锁模脉冲初次到达飞秒量级，这个飞秒脉冲的孕育发生可以归因在非线性偏振扭转锁模的超快相应时间以和孤子整形效应的配合作用。

奥创光子踊跃结构了医疗及气体检测范畴的中红外飞秒激光运用技能预研，重点成长2.8 m光纤飞秒激光器。该新型光源于掺Er3+的ZBLAN光纤的质料基础上，采用非线性偏振扭转锁模技能孕育发生2.8 m宽谱种子脉冲；随后颠末两级光纤放年夜器，晋升平均功率到瓦级；脉冲的时域压缩经由过程光纤的质料色散于脉冲放年夜历程中同时完成色散赔偿，得到飞秒脉宽。

预研试验中利用的6 mol%掺Er3+的ZBLAN光纤，其纤芯直径为19.2 0.3 um（NA=0.12），内包层直径为249 5 um（NA=0.5），外包层直径为475 7 um。ZBLAN光纤的端面处置惩罚需要非凡要领，由于其柔韧性差且懦弱，没法像平凡石英光纤同样利用剥线钳举行剥离；于处置惩罚ZBLAN光纤时，起首需要剥离涂覆层，而这一步调只能采用化学腐化法，试验中选用二氯甲烷作为化学溶剂浸泡光纤，使涂覆层软化后剥除了。

ZBLAN光纤具备熔点较低的特色，对于该光纤的熔接工艺还没有高度成熟，是以选择了空间耦合的方式对于增益光纤举行泵浦。采用980nm的泵浦激光器尾纤具备105 m的直径及0.22的数值孔径，可以或许提供的最高输出功率为9W，经准直及聚焦，进而高效耦合进ZBLAN光纤。所选用的用在准直的CaF2平凸面镜焦距为18 妹妹，聚焦透镜焦距为26 妹妹，光纤纤芯直径为19.2 m，数值孔径为0.12，计较可知，颠末聚焦后的光束及纤芯的数值孔径匹配且聚焦光斑小在纤芯直径。

非线性偏振扭转锁模Er: ZBLAN光纤激光器（图 1）由 980 nm 激光二极管 (LD) 泵浦，由平凸面镜L1及非球面透镜L2构成的透镜组用在将泵浦光耦合到增益光纤，光纤的两头均举行8 角切割以按捺寄生振荡。人工可饱及接收器由半波片、四分之一波片及偏振相干断绝器构成。为了降低锁模阈值，腔内脉冲沿泵浦光标的目的流传，由于当腔内脉冲顺着泵浦光标的目的流传时，它可以或许迅速地被放年夜，从而更易堆集非线性相移，以便锁模状况的启动。装配中的锗板用在脉冲从增益光纤后的40% 输出耦合器 (OC) 输出平均功率110mW，反复频率55MHz，光谱宽度11nm。

图1 NPR 锁模 Er: ZBLAN 光纤激光器的试验装配

单模Er: ZBLAN光纤因为纤芯尺寸小而致使的较年夜的光纤非线性是提高输出功率的要害障碍。LMA Er: ZBLAN光纤是一种直接减弱光纤非线性的要领，它可以削减非线性相移的堆集，从而防止飞秒脉冲于放年夜历程中的时间畸变，此外，芯径越年夜光纤的毁伤阈值越高。

是以，于构建的单模Er: ZBLAN光纤锁模振荡器的基础上，成立了一种高功率飞秒MOPA激光体系，该体系由单模Er: ZBLAN光纤锁模振荡器及预放年夜装配以和LMA Er: ZBLAN光纤主放年夜器构成。预放年夜装配（如图2所示），旌旗灯号光穿过另外一个偏振相干断绝器，以避免放年夜器中的后向反射粉碎锁模振荡器的不变性。因为圆偏振光的有用非线性系数比线偏振低，于放年夜器以前插入四分之一波片及半波片以调解旌旗灯号脉冲的偏振，经由过程转变输入极化提高氟化物光纤放年夜器的拉曼阈值。增益光纤与振荡器光纤型号不异，长度为3 m。输入光纤端以 8 角切割，增益光纤由多模 980 nm LD 反向泵浦。可是单模Er: ZBLAN光纤因为纤芯尺寸小而致使拉曼效应，该级放年夜器输出功率为450mW。

图2 预放年夜激光体系示用意。DM：二色镜，OC：输出镜，ISO：断绝器，LD：激光二极管， /2：半波片， /4：四分之一波片，L：透镜，GM：金镜

为了进一步得到跟高功率的输出，使用LMA Er: ZBLAN光纤作为主放年夜器增益介质，如图3所示。于主放年夜器中，增益光纤采用4 m长6%双包层LMA Er: ZBLAN光纤，芯径30 m (NA = 0.12)，内包层直径300 m（NA = 0.51）。为了降低增益光纤后真个最高温度，采用了双端泵浦方案，使光纤两头都能分管泵浦的热负荷。于9W泵浦功率下，放年夜输出1.55W。

图3 主放年夜激光体系示用意

于2.8 m波优点，激光器腔内氟化物光纤的群速率色散参量 2=-0.086 ps2/m，因为自相位调制引起的放年夜器光谱展宽，于此历程中引入了显著的正啁啾，同时掺铒ZBLAN光纤于中红外波段具备负色散，引入的负色散赔偿了正啁啾，致使脉冲被压缩，该技能基在绝热孤子压缩，于负色散光纤放年夜器中，适量选择适合的前提可以发生该压缩。它的重要长处是可以直接于光纤放年夜器输出端实现高能量及超短脉冲，而无需利用任何外部脉冲压缩器件。终极输出的飞秒脉冲自相干曲线如图4，脉宽380fs。下一阶段拟经由过程优化各级光纤放年夜器的光纤长度及增益，以期得到更窄的脉宽。

图4 终极输出2.8 m放年夜脉冲的自相干曲线

援用文献：

[1]Duval S, Bernier M, Fortin V, et al. Femtosecond fiber lasers reach the mid-infrared[J]. Optica, 2015, 2(7): 623-626.

[2]Hu T, Jackson S D, Hudson D D. Ultrafast pulses from a mid-infrared fiber laser[J]. Optics letters, 2015, 40(18): 4226-4228.

[3]Duval S, Olivier M, Fortin V, et al. 23-kW peak power femtosecond pulses from a mode-locked fiber ring laser at 2.8 m[C]//Fiber Lasers XIII: Technology, Systems, and Applications. SPIE, 2016, 9728: 9-16.

[4]Antipov S, Hudson D D, Fuerbach A, et al. High-power mid-infrared femtosecond fiber laser in the water vapor transmission window[J]. Optica, 2016, 3(12): 1373-1376.

[5]Wang Y, Jobin F, Duval S, et al. Ultrafast Dy 3+: fluoride fiber laser beyond 3 m[J]. Optics letters, 2019, 44(2): 395-398.

[6]Gu H, Qin Z, Xie G, et al. Generation of 131 fs mode-locked pulses from 2.8 m Er: ZBLAN fiber laser[J]. Chinese Optics Letters, 2020, 18(3): 031402.

[7]Cui Y, Chen M, Du W, et al. Generation of 85 fs mid-IR pulses with up to 2.4 W average power using an Er: ZBLAN fiber mode-locked oscillator and a nonlinear amplifier[J]. Optics Express, 2021, 29(26): 42924-42931.

[8]Chen Z, Ma S, Yang Y, et al. 165 MHz highly stable femtosecond Er: ZBLAN fiber laser operating at 2.8 m[J]. Optics Letters, 2024, 49(19): 5451-5454.

转自：奥创光子

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