【精选】中红外光纤激光器

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1、1中 红 外 光 纤 激 光 器摘 要位 于 25 m 中 红 外 波 段 的 激 光 在 国 防 、 医 疗 、 通 信 方 面 有 着 特 殊 的 重要 应 用 。 利 用 固 体 激 光 器 泵 浦 稀 土 离 子 掺 杂 的 玻 璃 光 纤 产 生 荧 光 发 射 是 直接 获 得 2 5 m 波 段 中 红 外 激 光 的 有 效 途 径 ， 具 有 光 束 质 量 好 、 体 积 小 、转 换 效 率 高 、 散 热 效 果 好 等 优 点 。 本 文 介 绍 了 中 红 外 光 纤 激 光 器 的 原 理 、研 究 现 状 和 发 展 前 景 。 对 中 红 外 光 纤 激 光

2、器 的 发 展 和 研 究 方 向 进 行 了 阐 述 。关 键 词 ： 中 红 外 ； 光 纤 激 光 器 ； 稀 土 离 子 ； 硫 化 物 光 纤 ； 氟 化 物 光 纤一 、 中 红 外 光 纤 激 光 器 简 介1.1 中 红 外 激 光位 于 25m 中 红 外 波 段 的 激 光 在 国 防 、 医 疗 、 通 信 方 面 有 着 特 殊 的 重 要应 用 。 它 位 于 大 气 “透 明 窗 口 ”,处 于 大 多 数 军 用 探 测 器 的 工 作 波 段 , 可 以 进 行 战 术 导 弹 尾 焰 红 外 辐 射 模 拟 、 人 眼 安 全 的 激 光 雷 达 、 激 光

3、定 向 红 外干 扰 等 军 事 用 途 。 在 民 用 领 域 可 用 于 遥 感 化 学 传 感 、 空 气 污 染 控 制 ， 它 还可 以 用 于 新 一 代 激 光 手 术 ,使 血 液 迅 速 凝 结 ,手 术 创 面 小 、 止 血 性 好 （ 水 分子 在 3m 附 近 有 很 强 的 吸 收 峰 ） 此 外 ， 采 用 2 5 m 替 代 目 前 广 泛 使 用的 1.55 m 作 为 光 纤 通 信 工 作 波 长 也 是 一 项 极 具 研 究 价 值 的 课 题 ， 由 于 材料 的 Rayleigh 散 射 与 光 波 长 的 四 次 方 成 反 比 ， 采 用 2

4、5 m 作 为 工 作波 长 可 以 有 效 降 低 光 纤 损 耗 ， 增 加 无 中 继 通 信 的 距 离 。 因 此 ， 研 发 中 红外 波 段 的 激 光 器 对 于 国 家 安 全 和 国 民 经 济 建 设 具 有 十 分 重 要 的 意 义 。 获 得 中 红 外 激 光 的 方 法 有 间 接 方 法 和 直 接 方 法 。 其 中 间 接 方 法 包 括 ： (1) CO2激 光 器 的 倍 频 及 差 频 输 出 (2) 利 用 非 线 性 红 外 晶 体 采 用 非 线 性 频 率 变 换 或 光 学 参 量 振 荡 技 术 将其 它 波 段 激 光 调 谐 到 中

5、红 外 波 段 直 接 方 法 包 括 ： (1)以 氟 化 氘 等 为 介 质 的 化 学 激 光 器 (2) 以 AlGaAsSb， InGaAsSb， InAs/(In)GaSb 等 锑 化 物 窄 禁 带 半 导体 、 过 渡 金 属 离 子 掺 杂 的 族 半 导 体 制 作 的 中 红 外 激 光 器 (3)近 红 外 半 导 体 激 光 泵 浦 的 稀 土 离 子 或 过 渡 金 属 离 子 掺 杂 的 玻 璃 、晶 体 的 光 纤 激 光 器 。21.2 光 纤 激 光 器光 纤 激 光 器 是 指 用 掺 稀 土 元 素 玻 璃 光 纤 作 为 增 益 介 质 的 激 光 器

6、 ， 主 要 由泵 浦 源 、 耦 合 器 、 掺 稀 土 元 素 光 纤 、 谐 振 腔 等 部 件 构 成 , 结 构 如 图 1.1所 示 。 图 1光 纤 激 光 器 的 泵 浦 源 由 一 个 或 多 个 大 功 率 激 光 二 极 管 构 成 , 其 发 出 的 泵 浦光 经 耦 合 系 统 耦 合 到 作 为 增 益 介 质 的 掺 稀 土 元 素 光 纤 内 , 泵 浦 波 长 上 的 光子 被 掺 杂 光 纤 介 质 吸 收 , 形 成 粒 子 数 反 转 , 受 激 发 射 的 光 波 经 谐 振 腔 镜 的反 馈 和 振 荡 形 成 激 光 输 出 。光 纤 激 光 器

7、的 优 点 在 于 光 纤 激 光 器 是 波 导 式 结 构 ， 易 于 实 现 和 光 纤 的耦 合 。 与 传 统 的 固 体 和 气 体 激 光 器 相 比 ,光 纤 激 光 器 的 光 束 质 量 好 、 体 积 小 、转 换 效 率 高 、 散 热 效 果 好 。 在 近 红 外 波 段 (12m),光 纤 激 光 器 与 光 纤 拉曼 激 光 器 已 经 广 泛 地 应 用 于 通 信 、 工 业 、 医 疗 、 国 防 等 领 域 。中 红 外 光 纤 激 光 器 即 在 光 纤 激 光 器 的 基 础 上 ， 通 过 改 变 光 纤 材 料 和 掺 杂离 子 种 类 和 类

8、型 等 手 段 来 控 制 能 产 生 谐 振 的 波 长 ， 使 激 光 器 输 出 中 红 外 波 段激 光 。 二 、 中 红 外 光 纤 激 光 器 的 原 理2.1 激 活 离 子 的 选 择 与 泵 浦中 红 外 光 纤 激 光 器 的 增 益 介 质 是 稀 土 元 素 中 的 镧 系 元 素 镧 (La)、铈 (Ce)、 镨 (Pr)、 钕 (Nd)、 钷 (Pm)、 钐 (Sm)、 铕 (Eu)、 钆 (Gd)、 铽 (Tb)、镝 (Dy)、 钬 (Ho)、 铒 (Er)、 铥 (Tm)、 镱 (Yb)、 镥 (Lu)， 以 及 与 镧 系 的 15个 元 素 密 切 相 关

9、 的 两 个 元 素 钪 (Sc)和 钇 (Y)共 17 种 元 素 。 镧 系 元 素 具3有 相 同 的 外 层 电 子 结 构 , f-f 组 态 之 间 有 1 639 个 跃 迁 能 级 ， 能 级 对 之 间的 可 能 跃 迁 数 高 达 199 177， 可 观 察 到 的 谱 线 高 达 30 000 多 条 ， 再 加 上f-d 组 态 之 间 存 在 的 跃 迁 等 ， 数 目 就 更 多 了 。 但 是 要 想 实 现 25 m 跃迁 ， 上 下 跃 迁 能 级 能 量 间 隔 则 需 要 处 于 2 0003 300cm-1 之 间 。 他 们 在中 红 外 的 能 级

10、 图 如 图 2 所 示图 2 中 红 外 发 光 离 子 能 级 图对 这 类 稀 土 离 子 来 说 ， 谱 线 间 的 跃 迁 比 较 复 杂 ， 可 能 会 带 来 问 题 。 这时 就 需 要 用 到 共 掺 杂 技 术 例 如 Ho3+， Pr3+共 掺 杂 的 ZBLAN 激 光 器 ,能 级 图如 图 2 所 示 。 基 态 Ho3+在 抽 运 光 作 用 下 被 激 发 到 5I6 能 级 ,而 发 生 于 5I6 能级 的 能 量 传 递 上 转 换 (ETU)将 会 导 致 5I6 能 级 上 粒 子 数 降 低 ,因 此 需 要 尽 量避 免 。 Ho3+的 5I7 能

11、 级 到 Pr3+的 3F2 能 级 的 能 量 传 递 则 会 使 得 激 光 低 能 级5I7 的 粒 子 数 迅 速 衰 减 ,从 而 保 证 粒 子 数 反 转 和 激 光 器 的 稳 定 输 出 。 由 于3 m 共 餐 掺 Ho3+ZBLAN 光 纤 激 光 器 上 能 级 ETU 有 着 相 对 较 高 的 速 率 系 数 ,这 将 导 致 Ho3+的 利 用 受 到 限 制 。 因 此 ,在 设 计 光 纤 时 既 要 保 证 有 足 够 高 浓度 的 Ho3+使 抽 运 光 得 到 充 分 吸 收 ,同 时 又 要 有 足 够 浓 度 的 Pr3+使 激 光 下 能级 5I7

12、 粒 子 数 能 够 通 过 能 量 传 递 而 减 少 ,再 通 过 Pr3+多 声 子 衰 减 而 迅 速 下降 到 基 态 。4图 3 共 掺 杂 Ho3+， Pr3+共 掺 杂 能 级 图2.2 基 质 的 选 择根 据 经 典 的 光 谱 理 论 ， 稀 土 离 子 在 某 个 激 发 态 产 生 总 跃 迁 几 率 （ W）等 于 辐 射 跃 迁 几 率 （ Wrad） 与 无 福 射 跃 迁 几 率 （ Wnr） 之 和 。 因 此 ， 稀 土离 子 能 级 间 产 生 中 红 外 辐 射 跃 迁 几 率 往 往 受 基 质 材 料 影 响 ， 即 稀 土 离 子 和 基质 间

13、的 相 互 作 用 ， 主 要 体 现 在 稀 土 离 子 的 能 量 传 递 给 玻 璃 基 质 的 晶 格 振 动 ，即 引 起 多 声 子 弛 豫 ， 也 即 激 发 态 能 级 粒 子 的 无 辐 射 跃 迁 。 多 声 子 弛 豫 引 起的 无 辐 射 跃 迁 几 率 为 ：其 中 ：式 中 ， W0 是 带 隙 为 零 时 且 没 有 声 子 发 射 时 的 转 移 速 率 ， 为 常 数 。 Pi 为 声子 阶 数 ， 。 E 为 能 级 间 的 能 量 间 隔 ， 为 声 子 能 量 。 g 是 电 子 与 声 子 耦 合 强 度 。 多 声 子 过 程 的 无 辐 射 跃 迁

14、 几 率 首 先 决 定 于 声 子 阶数 ， 即 能 级 间 的 能 量 间 隔 和 声 子 能 量 。 前 者 决 定 于 稀 土 离 子 的 能 级 结 构而 后 者 决 定 于 基 质 本 身 。 由 左 式 可 知 ， 当 两 能 级 能 量 间 隔 E 固 定 不 变 时 ，多 声 子 弛 豫 率 主 要 是 由 材 料 晶 格 振 动 中 的 高 能 声 子 决 定 ， 声 子 频 率 越 高 ， 多声 子 无 辐 射 弛 豫 几 率 也 越 大 。0.exp()NRWE1ln/1ig/ip5在 稀 土 掺 杂 的 玻 璃 材 料 中 实 现 2 m 以 上 的 荧 光 必 须

15、满 足 两 个 条 件 ：一 (1)具 有 大 得 多 的 折 射 率 ， 根 据 JuddOfelt 理 论 可 以 推 测 具 有 较 大的 偶 极 子 振 荡 强 度 ， 较 大 的 折 射 率 才 能 使 玻 璃 中 溶 解 的 稀 土 离 子 周 围 产 生强 的 局 部 电 场 而 诱 发 大 的 受 激 辐 射 截 面 ； (2)透 红 外 界 限 高 (12 m)， 具有 非 常 低 的 声 子 能 量 (如 图 3 所 示 )， 因 而 多 声 子 弛 豫 引 起 的 无 辐 射 跃 迁 几率 低 ， 激 发 态 寿 命 长 ， 量 子 效 率 高 。由 于 石 英 材 料

16、的 声 子 能 量 高 达 1100 cm-1,因 此 在 波 长 大 于 2.2 m 时传 输 损 耗 会 很 大 ,不 能 用 于 制 作 波 长 超 过 2.2 m 的 光 纤 激 光 器 或 光 纤 拉 曼激 光 器 。 图 2.1 为 各 种 基 质 玻 璃 的 最 大 声 子 能 量 ， 分 别 为 硼 酸 盐 玻 璃 ，磷 酸 盐 玻 璃 ， 硅 酸 盐 玻 璃 ， 锗 玻 璃 玻 璃 ， 碲 酸 盐 玻 璃 ， 氟 化 物 玻 璃 ， 硫 化物 玻 璃 ， 硒 化 物 玻 璃 。 我 们 看 到 氟 化 物 玻 璃 和 硫 化 物 玻 璃 最 大 声 子 能 量 相对 较 低 。 所 以 目 前 最 常 用 的 中 红 外 光 纤 为 硫 化 物 光 纤 和 氟 化 物 (ZBLAN)光纤 。 他 们 都 有 两 个 特 性图 4 各 基 质 玻 璃 的