奥创光子重点布局发展2.8 μm光纤飞秒激光器

近期，奥创光子积极布局了医疗和气体检测领域的中红外飞秒激光应用技术预研，重点发展2.8 μm光纤飞秒激光器。

2.8 μm~3.5 μm波段的激光通常是基于Er3+、Ho3+/Pr3+和Dy3+跃迁激发而实现的。2.8 μm光纤激光器的发展受益于激光器技术的进步、光纤技术的发展。新型的激光器设计、材料的选择以及新型光纤材料和结构改进了光纤的传输特性，使得2.8 μm波段的激光器能够具备更高的功率和更好的光束质量。通过改变氟化物光纤掺杂离子的种类和浓度，锁模氟化物光纤激光器能够实现不同波长的中红外超短激光输出。

半导体可饱和吸收镜和二维材料作为Er：ZBLAN光纤锁模器件产生的锁模脉冲宽度大多在ps量级。直到2015年，S. Duval课题组成功实现了2.8 μm波段的飞秒锁模脉冲，采用的增益介质为Er：ZBLAN光纤，并利用非线性偏振旋转技术作为锁模方法，最终获得的脉冲宽度为207 fs。非线性偏振旋转技术在掺铒氟化物光纤激光器中的成功使得2.8 μm波段的锁模脉冲首次达到飞秒量级，这个飞秒脉冲的产生可以归因于非线性偏振旋转锁模的超快响应时间以及孤子整形效应的共同作用。

表1 非线性偏振旋转锁模的中红外飞秒光纤激光器研究进展

奥创光子预研实验中使用的6 mol%掺Er3+的ZBLAN光纤，其纤芯直径为19.2±0.3 μm（NA=0.12），内包层直径为249±5 μm（NA=0.5），外包层直径为475±7 μm。ZBLAN光纤的端面处理需要特殊方法，因为其柔韧性差且脆弱，无法像普通石英光纤一样使用剥线钳进行剥离；在处理ZBLAN光纤时，首先需要剥离涂覆层，而这一步骤只能采用化学腐蚀法，实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。

ZBLAN光纤具有熔点较低的特点，对该光纤的熔接工艺尚未高度成熟，因此选择了空间耦合的方式对增益光纤进行泵浦。采用980 nm的泵浦激光器尾纤具有105 μm的直径和0.22的数值孔径，能够提供的最高输出功率为9 W，经准直和聚焦，进而高效耦合进ZBLAN光纤。所选用的用于准直的CaF2平凸透镜焦距为18 mm，聚焦透镜焦距为26 mm，光纤纤芯直径为19.2 μm，数值孔径为0.12，计算可知，经过聚焦后的光束和纤芯的数值孔径匹配且聚焦光斑小于纤芯直径。

非线性偏振旋转锁模Er: ZBLAN光纤激光器（图1）由980 nm 激光二极管 (LD) 泵浦，由平凸透镜L1和非球面透镜L2组成的透镜组用于将泵浦光耦合到增益光纤，光纤的两端均进行8°角切割以抑制寄生振荡。人工可饱和吸收器由半波片、四分之一波片和偏振相关隔离器组成。为了降低锁模阈值，腔内脉冲沿泵浦光方向传播，因为当腔内脉冲顺着泵浦光方向传播时，它能够迅速地被放大，从而更容易积累非线性相移，以便锁模状态的启动。装置中的锗板用于脉冲从增益光纤后的40%输出耦合器 (OC) 输出平均功率110 mW，重复频率55 MHz，光谱宽度11 nm。

图1 NPR锁模Er: ZBLAN光纤激光器的实验装置

单模Er: ZBLAN光纤由于纤芯尺寸小而导致的较大的光纤非线性是提高输出功率的关键障碍。LMA Er: ZBLAN光纤是一种直接削弱光纤非线性的方法，它可以减少非线性相移的积累，从而避免飞秒脉冲在放大过程中的时间畸变，此外，芯径越大光纤的损伤阈值越高。

因此，在构建的单模Er: ZBLAN光纤锁模振荡器的基础上，建立了一种高功率飞秒MOPA激光系统，该系统由单模Er: ZBLAN光纤锁模振荡器和预放大装置以及LMA Er: ZBLAN光纤主放大器组成。预放大装置（如图2所示），信号光穿过另一个偏振相关隔离器，以防止放大器中的后向反射破坏锁模振荡器的稳定性。由于圆偏振光的有效非线性系数比线偏振低，在放大器之前插入四分之一波片和半波片以调整信号脉冲的偏振，通过改变输入极化提高氟化物光纤放大器的拉曼阈值。增益光纤与振荡器光纤型号相同，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。但是单模Er: ZBLAN光纤由于纤芯尺寸小而导致拉曼效应，该级放大器输出功率为450 mW。

图2 预放大激光系统示意图。DM：二色镜，OC：输出镜，ISO：隔离器，LD：激光二极管，λ/2：半波片，λ/4：四分之一波片，L：透镜，GM：金镜

为了进一步获得跟高功率的输出，利用LMA Er: ZBLAN光纤作为主放大器增益介质，如图3所示。在主放大器中，增益光纤采用4 m长6%双包层LMA Er: ZBLAN光纤，芯径30 μm (NA=0.12)，内包层直径300 μm（NA=0.51）。为了降低增益光纤后端的最高温度，采用了双端泵浦方案，使光纤两端都能分担泵浦的热负荷。在9 W泵浦功率下，放大输出1.55 W。

图3 主放大激光系统示意图

在2.8 μm波长处，激光器腔内氟化物光纤的群速度色散参量β2=-0.086 ps2/m，由于自相位调制引起的放大器光谱展宽，在此过程中引入了显著的正啁啾，同时掺铒ZBLAN光纤在中红外波段具有负色散，引入的负色散补偿了正啁啾，导致脉冲被压缩，该技术基于绝热孤子压缩，在负色散光纤放大器中，适当选择合适的条件可以发生该压缩。它的主要优点是可以直接在光纤放大器输出端实现高能量和超短脉冲，而无需使用任何外部脉冲压缩器件。最终输出的飞秒脉冲自相关曲线如图4，脉宽380 fs。下一阶段拟通过优化各级光纤放大器的光纤长度和增益，以期获得更窄的脉宽。

图4 最终输出2.8 μm放大脉冲的自相关曲线

来源：长三角激光联盟