氟化物光纤级联激光器技术进展

能同时产生2 μm和3 μm双波段输出的级联氟化物光纤激光器在光电对抗、激光测距、激光通信、激光医疗等诸多领域都有着极高的应用前景和价值,已成为近年来国内外的研究热点。文中从不同的掺杂稀土离子角度对氟化物中红外光纤激光器的级联原理和研究进展进行了阐述,指出了当前发展所面临的问题和今后的研究方向。     

中红外氟铟基玻璃及光纤激光器最新研究进展(特邀)

3～5μm波段包含了大气的传输窗口和许多气体分子的吸收带，因而3～5μm中红外光纤激光器在大气遥感、生物医学、材料加工等领域具有广阔的应用前景。近年来，中红外光纤激光器的输出波长不断向长波长扩展，而实现中红外光纤激光输出的关键在于增益光纤材料的选择。氟铟基玻璃具有较宽的中红外透过窗口和较低的声子能量，因而氟铟基玻璃可以作为增益光纤材料应用于中红外光纤激光器领域。文中综述了从20世纪80年代至今，稀土离子掺杂氟铟基玻璃及氟铟基光纤激光器的代表性研究成果，回顾了氟铟基玻璃组分和玻璃结构的研究历程，介绍了氟铟基光纤的制备工艺，简述了稀土离子掺杂氟铟基玻璃和稀土离子掺杂氟铟基光纤激光器的最新研究进展。2018年，加拿大拉瓦尔大学的Maes等人利用Ho³⁺掺杂氟铟基光纤作为增益介质，在中红外光纤激光器研究领域取得突破性进展，在室温下获得了输出功率接近200 mW的3.92μm光纤激光输出。最近，利用1 150 nm激光作为泵浦源以及自研的Ho³⁺/Pr³⁺共掺杂氟铟基光纤作为增益介质，实现了～2.9μm波段中红外光纤激光输出，其最...     

1.7 μm超快光纤激光器研究进展（特邀）

超快光纤激光器具有紧凑性高、光束质量佳、散热性好等优点,是一种极具发展潜力的激光光源。工作波长作为超快光纤激光器的重要参数,在一定程度上决定了激光器的应用领域。近年来,得益于1.7 μm波段的独特光谱特性,1.7 μm波段超快光纤激光器在生物医学、聚合物加工、光学成像等领域具有重要的应用价值。因此,研制高性能的1.7 μm波段超快光纤激光器成为激光领域的研究热点之一。文中综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展,对目前获得1.7 μm波段超短脉冲的不同方式进行总结,分析其技术特点;同时,介绍了笔者所在课题组报道的1.7 μm波段耗散孤子超快光纤激光器及其放大系统的研究成果,概述了其工作原理、技术难点;最后,对1.7 μm波段超快光纤激光的应用前景及发展趋势进行了展望。     

Tm3+/ Ho3+离子掺杂中红外超快激光技术研究进展（特邀）

稀土离子Tm3+/ Ho3+ 掺杂中红外2 μm波段超快激光由于广泛的应用前景成为近十余年来激光领域的研究热点之一。文中首先综述了稀土离子Tm3+/Ho3+掺杂固体/光纤2 μm波段超快激光锁模技术进展,包括主动锁模技术以及饱和吸收、克尔透镜、非线性偏振旋转、非线性光环形镜、非线性多模干涉等被动锁模技术;其次,结合激光增益介质及色散管理技术回顾了Tm3+/ Ho3+掺杂固体和光纤锁模激光脉冲宽度压缩进展;再次,总结了Tm3+/ Ho3+大能量/高功率超快激光技术及进展;最后,对2 μm波段超快激光发展趋势进行了总结和展望。     

Er3+离子对Er3+/Tm3+共掺碲酸盐玻璃1.85μm波段光谱特性的影响

采用高温熔融淬火技术制备了1.0 mol% Tm3＋离子和x mol% Er3＋离子(x=0,0.5和1.5 mol%)掺杂 的系列碲酸盐玻璃,通过测量玻璃样品的差热扫描曲线(DSC)、X射线衍射(XRD)图和荧光光 谱,对不同 Er3＋浓度下的玻璃物理性能和Tm3＋离子荧光特性进行了研究。DSC结果显 示,研制的稀土掺杂碲酸盐玻璃 具有优异的热稳定性能,玻璃样品的析晶温度与转变温度之差大于130 ℃,而XRD图则证实了研制的玻璃 样品具有非晶结构特征。在808 nm泵浦激励下,随着Er3＋离 子的引入,Tm3＋离子³F₄→³H₆能级间跃迁产生 的1.85 μm波段荧光显著增强。当Er3＋离子掺杂浓度为1.0 mol%时,荧光强度提高了约76%,荧光强度的 显著增强归因于Er3＋离子和Tm3＋离子之间的能量传递。然而,随着Er 3＋离子掺杂浓度的继续增加,1.85 μm 波段荧光呈现出衰减现象,这归结于Er3＋离子浓度的淬灭效应。研究表明,具有合 适浓度Er3＋/Tm3＋共掺碲 酸盐玻璃是一种应用于1.85 μm波段固体激光器和光纤放大器的理想 基质材料。     

3～5μm稀土离子掺杂中红外光纤激光器的研究进展(特邀)

3～5μm中红外波段是一个极特殊的电磁波谱区间，它不仅覆盖着众多分子与原子的本征吸收峰，同时还是大气透明窗口之一。此波段的激光器在气体探测、生物医疗、国防等众多领域都具有很大的应用前景。文中围绕常用于3～5μm光纤激光产生的三种稀土离子(即Er³⁺、Ho³⁺和Dy³⁺)，对基于这些离子掺杂的连续和脉冲中红外光纤激光器的发展现状进行了梳理，最后对3～5μm掺稀土离子光纤激光器的发展进行了展望。     

10 W量级高功率中红外超快光纤激光系统中色散管理的仿真设计

超快光纤激光器具有结构紧凑、可靠性高和光束质量好等优点,在科学研究和工业生产上有广泛的应用。2～5μm波段的中红外超快光纤激光器在气体探测、激光手术与中红外对抗中具有巨大的应用潜力,已成为超快光纤激光器领域的一个研究热点,尤其是利用掺杂铒离子的氟化物光纤作为增益光纤的光纤激光器,其可利用常见的980 nm泵浦激光产生2.8μm波段的超快激光,是研究最为广泛的中红外超快光纤激光器系统之一。然而,2.8μm波段的超快光纤激光器无论是在平均功率还是在单脉冲能量上,都与国际先进的近红外波段超快光纤激光器存在较大差距。前期报道的2.8μm超快光纤激光器输出的最高平均功率约为1 W,单脉冲能量约为30 nJ,这极大地限制了中红外超快光纤激光在高灵敏度气体测量等领域的应用。针对这一问题,本文设计了一套基于掺杂铒离子氟化物光纤的多级啁啾脉冲放大系统,并对其进行了数值模拟,此系统可将脉冲平均功率放大到10 W量级,从而获得超过250 nJ的单脉冲能量。此系统输出的高能量中红外脉冲具有约400 fs的超宽脉冲宽度,脉冲峰值功率可达450 kW。     

纯石英光纤实现4.8μm激光输出

<正>中红外波段光纤激光器在通信、遥感和光电对抗等诸多领域中具有重要的应用价值，是国内外激光领域的研究热点。基于软玻璃光纤的稀土掺杂型激光器一直以来都是实现中红外波段输出的有效手段。但受限于软玻璃光纤的制备工艺和有限的稀土离子种类，传统的实芯光纤激光器在波长拓展和功率提升方面遇到了瓶颈，实现4μm以上激光输出困难很大。空芯光纤气体激光器的出现为中红外波段输出的实现提供了一种新途径。2019年，国防科技大学基于充有CO₂气体的空芯光纤气体激光器获得了4.3μm波段的激光输出；2022年，国防科技大学进一步利用充有HBr气体的空芯光纤气体激光器实现了3.80～4.49μm波段宽调谐激光输出。     

2～5μm全固态中红外高功率光纤激光源研究进展（特邀）

2～5μm中红外波段激光在科学研究、生物医疗、通信等众多领域中都有重要的应用价值,一直以来都是激光领域的研究热点。主要对目前国内外高功率2～5μm全固态中红外光纤激光源的发展现状进行了梳理,包括稀土离子掺杂的中红外光纤激光器、波长灵活可设计的拉曼光纤激光器和宽带超连续谱激光器,并对2～5μm全固态中红外光纤激光源的发展进行了展望。     

1μm光纤激光器的研究进展

1μm光纤激光器主要以掺杂Yb3+的光纤为增益介质,在高功率泵浦源、激光雷达、医疗以及科学研究等领域有重要的应用前景.介绍了1 μm掺Yb3+光纤激光器的能级结构和产生原理,对其国内外的发展状况进行了综述,并深入分析各类型光纤激光器的关键技术和解决措施,并对1 μm光纤激光器的发展趋势进行了展望.     

新型高掺铥硅酸盐玻璃光纤及其光纤激光的研究

具有高稀土离子掺杂浓度的有源光纤一直以来是高性能单频光纤激光器的核心,选用硅酸盐玻璃材料制作高掺杂有源光纤可以有效提升光纤增益。通过高温熔融工艺制备了铥离子掺杂浓度为8 wt.%的高掺杂硅酸盐玻璃,测试了其光谱特性和荧光寿命,并根据McCumber理论计算玻璃的受激发射截面。采用管棒法制备光纤预制棒,拉制出尺寸为7/125 μm的高掺铥硅酸盐玻璃光纤。基于低损耗的异质光纤熔接,测试了该光纤的增益特性,并分别采用2 cm和8 cm的新型掺铥光纤搭建线形腔光纤激光器,获得百毫瓦的1950 nm激光输出。研究表明,在8 wt.%的高浓度掺杂下,铥离子在文中的新型硅酸盐光纤基质中具备良好的发光能力,这种国产高掺杂玻璃光纤在实现高性能单频光纤激光器方面具有明显优势。     

2.0μm波段掺铥连续单频光纤激光器的研究进展

介绍了2.0μm波段掺铥连续单频光纤激光器的实验研究进展,以实现单频光纤激光器的关键技术为主线,总结了不同腔结构掺铥单频光纤激光振荡器的研究现状与发展方向。基于种子源主振荡功率放大(MOPA)结构进行了单频激光器功率放大,介绍了高功率掺铥单频光纤MOPA激光器的国内外研究进展。此外,介绍了本课题组在高掺杂铥锗酸盐玻璃光纤制作,2.0μm波段单频光纤激光振荡器构建,以及单频激光功率放大方面的部分研究工作。     

基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器

系统研究了利用稀土掺杂的石英光纤作为激光增益介质来实现分布布拉格反射式单频光纤激光器。实验中,分别将掺有Nd3+、Yb3+、Er3+/Yb3+和Tm3+的商用石英光纤,熔接到激光谐振腔中,实现了基于石英玻璃光纤的光纤激光系统在多波段的单纵模运转。对各光纤激光器的单频特性进行了研究,其中,激光器线宽可达几十千赫（特别是对于Er3+/Yb3+共掺光纤激光器,其线宽窄于7 kHz）,激光系统的强度噪声接近于散粒噪声极限,实验中获得了激光波长由930 nm到2m的单频光纤激光器。实验结果证明:商用的稀土掺杂石英光纤能够作为有效的增益介质来实现短腔型单频光纤激光器。同时,通过进一步的系统集成,基于稀土掺杂石英光纤的单频光纤激光器将得到更加广泛的应用。     

2μm光纤激光器的研究进展

近年来,2μm波段的光纤激光器由于在测高、测距、大气遥感等方面具有重要的应用前景而引起了广泛关注.光纤激光器以其耦合效率高、散热好、转换效率高、阈值低、光束质量好和窄线宽等优点在激光领域中占据了重要的地位.介绍了实现2 μm激光输出的3个基本条件,并分别介绍了单掺Tm3+与Tm3+,Ho3+共掺2μm光纤态激光器的发展状况,指出掺Tm3+光纤激光器2 μm连续激光输出能量应该还有很大的提升空间,在脉冲输出方面,Tm3+、Ho3+共掺激光器是一个今后研究的热点.     

1.7 μm全光纤锁模脉冲掺铥光纤激光器研究

1.7 μm超短脉冲光纤激光器在生物成像和材料加工等领域具有重要的应用前景,受到了科学家们的极大关注。基于非线性偏振旋转锁模技术,实验搭建了全光纤结构的1.7 μm锁模脉冲掺铥光纤激光器。通过在激光器内加入光纤滤波器抑制掺铥光纤中的长波激光发射,同时采用纤芯泵浦的方式有效获得了1.7 μm波段的增益。激光器输出脉冲的光谱中心波长为1733 nm,3 dB带宽为6.3 nm。锁模脉冲的重复频率为19.56 MHz,平均功率为1.4 mW。同时,数值模拟了脉冲在激光器的腔内演化。文中提出的1.7 μm全光纤锁模激光器有利于进一步提高1.7 μm激光源的稳定性和集成度,在生物成像等领域具有重要的应用价值。     

稀土离子掺杂飞秒光纤激光器最新进展

光纤激光器可分为基于非线性效应的光纤激光器和基于稀土离子受激辐射的掺杂光纤激光器。按照掺杂元素的不同,光纤激光器可以分为掺镱、掺铒、掺铥和掺镨等光纤激光器。针对稀土掺杂飞秒光纤激光器的最新研究进展进行了分析和总结,并给出了各种飞秒光纤激光器的优缺点和未来需要解决的问题,为稀土掺杂飞秒光纤激光器的优化设计提供参考。     

1.3kW拉曼光纤激光器

<正>近年来,高功率光纤激光器发展迅速。1μm波段对应的掺镱光纤激光器,近衍射极限输出功率可达20kW,多横模输出功率可达100kW。此外,2μm波段的掺铥光纤激光器和1.5μm波段的掺铒光纤激光器输出功率分别达到了1kW和0.3kW量级。尽管如此,这些光纤激光器的输出波长,因稀土离子能级跃迁的限制,仅能覆盖有限的光谱范围。基于光纤中受激拉曼散射效应的拉曼光纤激光器是拓展光纤激光器波长范围的有效手段,目前报导的最高功率为数百瓦量级。     

Cr2+:ZnSe的激光输出和调谐性能

Cr2 :ZnSe具有很宽的吸收带和发射带,是中红外波段优秀的可调谐激光材料.从吸收光谱、发射光谱以及角度调谐输出对Cr2 :ZnSe晶体的激光输出性能进行了研究.采用真空高温扩散法制备Cr2 :ZnSe晶体,获得了高浓度的Cr2 离子掺杂的厚1.7 mm,直径10 mm的薄片ZnSe晶体.使用中心波长2.05 μm,最大输出功率8 W的Tm离子掺杂的光纤激光器抽运,使用平凹腔结构搭建谐振腔,获得了最大平均功率1.034 W,中心波长2.367 μm,线宽10 nm的连续激光输出.利用角度调谐的方法,对Cr:ZnSe晶体的调谐性能进行了研究,在100 nm范围内获得了调谐输出.     

基于Re:YAG-SiO2光纤的单频光纤激光器研究进展（特邀）

Re:YAG-SiO₂多组分玻璃光纤是以Re:YAG作为纤芯材料,以石英管作为包层材料,采用熔芯法利用拉丝塔在高温下拉制的特种光纤,具有掺杂浓度高、增益大、机械强度高、易与石英光纤熔接等优点,适用于短腔单频光纤激光器。文中介绍了Re:YAG-SiO₂光纤的制备工艺,结合笔者课题组在该领域的研究工作,综述了近年来基于Re:YAG-SiO₂光纤的单频激光技术在1.0 μm,1.5 μm及2.0 μm波段的研究进展,并对Re:YAG-SiO₂光纤的制备及基于该类光纤单频激光器所存在的问题进行了归纳分析,对未来的发展进行了展望。     

大模面积双包层增益光纤优化设计

增益光纤的折射率和离子掺杂分布是决定光纤激光器输出功率和光束质量的重要因素,针对大模场光纤弯曲效应对模场面积和模场畸变的影响进行了数值分析,采用有限元方法计算了不同折射率和掺杂离子分布光纤的模场面积和增益系数。提出了高斯复合型折射率和掺杂离子分布的大模场增益光纤结构,该结构可有效提高增益光纤的增益系数和高阶模抑制系数,并具有较强的抗弯曲特性,较好的平衡了模场面积与抗弯曲特性的矛盾。根据计算结果设计了直径为65 m 的高斯复合型折射率和掺杂分布的增益光纤,在波长为1.064 m 的条件下,基模有效模面积达到1.17103 m2,基模相对增益系数和高阶模相对抑制系数分别达到0.58 和0.208 8,有效地提高了光纤激光器和放大器的输出光束质量。