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专家视点
目前，氟锆酸盐玻璃是支撑光纤激光系统的主要材料，其发射的中红外光谱范围约为3 µm。成熟的制造方法提供了低损耗光纤和低（约600 cm-1）声子能量，支持光学增益略高于3.5 µm。然而，尽管有许多报道的功率和效率记录，氟锆酸盐玻璃在中等高功率负载下容易发生故障。在此，Yan Ososkov等人实现了3.05 µm掺镝氟铟玻璃光纤激光器的高效工作，该激光器使用掺铒氟锆酸玻璃光纤激光以2.83 µm带内泵浦。该自由运行激光器的82%的斜率效率表示斯托克斯效率极限的大约90%；具有0.36 W的最大输出功率，这是氟铟玻璃光纤激光器的最高输出功率。研究发现，具有低得多的背景损耗的光纤的可用性与近简并泵浦方案相结合，为氟铟玻璃光纤激光器超越使用氟锆酸盐玻璃的光纤激光器系统的性能开辟了可能性。通过利用刻在掺镝氟铟玻璃中的高反射率光纤布拉格光栅，研究人员实现了3.2 µm的窄线宽波长稳定。这项研究为未来使用氟铟玻璃的中红外光纤激光器的功率提升奠定了基础。该工作发表在Optics Letters上。
Yan Ososkov, Jinho Lee, Toney T. Fernandez, Alex Fuerbach and Stuart D. Jackson, High-efficiency Fluoroindate Glass Fiber Laser. Optics Letters 48(10): 2664-2667 (2023).
目前，氟锆酸盐玻璃是支撑光纤激光系统的主要材料，其发射的中红外光谱范围约为3 µm。成熟的制造方法提供了低损耗光纤和低（约600 cm-1）声子能量，支持光学增益略高于3.5 µm。然而，尽管有许多报道的功率和效率记录，氟锆酸盐玻璃在中等高功率负载下容易发生故障。光纤端故障是氟锆酸玻璃光纤激光器的一个重要问题，限制了以水（蒸汽）吸收峰为中心的宽范围发射波长上的功率提升潜力。光纤端盖是一种可行的解决方案，可以将输出功率水平提高到30 W以上，并继续进一步扩大功率，从而解决材料加工、医学和工业中的应用。
氟铟玻璃是氟锆酸盐的一种很有前途的替代品。较低的最大声子能量≈509 cm-1提供了扩展的中红外透明度，这导致使用稀土掺杂的氟茚酸盐光纤观察到超过4.2 µm的发射和4 µm区域的创纪录输出功率水平。氟茚酸盐玻璃的耐水性测量表明，这种材料有可能成为氟锆酸盐玻璃更坚固的替代品，在中红外范围内提供更高功率水平的潜力。研究人员发现了使用各种掺杂剂在3-4 µm区域进行激光发射的可能性，包括Ho3+、Ho3+/Eu3+、Er3+和Pr3+/Yb3+。迄今为止，抑制功率提升潜力的限制因素之一是效率都远低于斯托克斯极限，这表明背景损耗可能最终限制从这种玻璃可能获得的效率和功率水平。
光纤激光器[图1(a)]被布置为标准线性腔，使用掺杂到5000 ppm水平的单包层掺镝氟茚酸玻璃光纤（法国Le Verre Fluoré）。该光纤的纤芯直径为12 µm，数值孔径为0.175，截止波长为2.74 µm。因此，泵浦波长和信号波长都在具有强模式重叠的单模区域中传播。使用二极管泵浦的掺铒氟锆酸盐光纤激光器作为泵浦源，波长为2.825 µm，以靶向镝吸收截面的峰值[图1(c)]。在这里，研究人员使用了类似于Majewski和Jackson的Dy（2000 ppm）掺杂的氟锆酸盐的测量横截面，因为从数值模拟和测量之间的良好一致性中发现，氟锆酸玻璃的横截面足以对氟茚酸盐玻璃进行建模。使用两个ZnSe非球面透镜（12 mm焦距）以大约80%的耦合效率将泵浦输送到掺镝氟茚酸盐光纤。对于自由运行系统，激光反馈由输入光纤端面上的对接耦合CaF2二向色镜提供，该反射镜在3 µm以上具有高反射性（HR，>98%），在泵浦波长下具有高透射性（>90%）。垂直光纤端裂被用作具有大约4%反射的输出耦合器。激光输出用未涂覆的CaF2平凸透镜准直，剩余的未吸收泵用带通滤波器（Thorlabs，FB3250-500）分离。
2.825 µm的带内泵浦填充第一激发态（6H13/2），这导致6H13/2的宽中红外发射→6H15/2过渡。对于自由运行实验，基于数值模型选择了0.74米的光纤长度，该模型已被证明可以准确地模拟激光运转。在发射的泵浦功率的约0.49 W处观察到激光阈值。使用光谱分析仪（OSA，Yokogawa AQ6376E）测量中心激光波长，发现其为3.047 µm，如图2所示。关于发射的泵浦功率，记录了82%的斜率效率（斯托克斯极限，93%），如图3所示。0.36 W的最大输出功率受到自由空间聚焦设置的限制，该设置导致约20%的包层发射光，从而导致热问题。通过泵浦光纤和激光光纤的直接拼接，可以实现发射效率的提高和输出功率的提高。激光器的性能与数值模型一致，该模型通过求解仅代表每个Dy3+能级的两个速率方程的系统并假设背景损耗低至0.05 dB/m来预测相同的阈值和斜率效率，如图4所示。
研究人员有意使用相对较高浓度的Dy3+（这迫使光纤长度更短）来进一步减少背景损耗的影响，因为背景损耗是影响之前结果的主要参数。虽然3.05 µm的确切背景损耗值的实验估计因信号波长与镝吸收的强烈重叠而变得复杂（图4），但仍然看到实验和模拟之间的良好一致性，这表明背景损耗现在不是限制因素，与之前的工作形成对比。此外，已知带内泵浦不存在任何共振能量传输机制（激发态吸收），这些机制会增加信号损耗并降低3 µm区域的斜率效率。最终，实验清楚地表明，氟茚酸盐玻璃是下一代中红外光纤激光器的可靠宿主。
由于没有光谱选择性反馈，激光波长在3030-3050nm范围内移动，较高的功率对应于较长的波长。因此，研究人员采用了定制的高反射光纤布拉格光栅，中心波长为3.2 µm。如先前在无源氟锆酸盐和氟茚酸盐玻璃纤维中所证明的，通过利用飞秒激光逐行技术将光栅直接内切到有源光纤（5000 ppm）中。所使用的激光器是二极管泵浦的Yb:KGW放大器系统，工作在1030 nm的中心波长和240 fs的脉冲持续时间。研究人员制作了一个14 mm长的二阶光栅，每脉冲能量为400 nJ，平移速度为20 µm/s，重复频率为1 kHz，产生了强烈的折射率变化线，没有任何可见损伤，如差分干涉对比显微镜所证实的（图5）。校正轴环有意对用于制造的0.4倍数值孔径显微镜物镜进行微调，以确保改性线也在铭文光束的方向上（垂直于图5所示的平面）填充整个光纤芯。考虑到Dy3+离子在光纤布拉格光栅的反射率区域中的大吸收，无法直接测量光栅反射率。
为了估计光纤布拉格光栅的反射率，研究人员在泵浦输入侧使用第一次实验的高反镜，并将光纤布拉格光栅作为输出耦合器，形成了一个高品质腔。然后，使用代码来匹配测量的斜率效率（30%）和阈值（120 mW），这导致反射率在给定相对长（14 mm）的光纤布拉格光栅的情况下，约为98%，这是预期的。激光光谱，如图6插图所示。由于光栅相对较长，预计线宽将远低于光谱分析仪的100 pm分辨率限制。然而，没有进行额外的测量来确定发射线宽的确切值。3200.3±0.1 nm的记录波长进一步证明，逐行刻字工艺提供了针对任意波长的灵活性，使用有源和无源商用氟茚酸盐光纤，以满足许多应用需求。
研究人员简介
Stuart D. Jackson，澳大利亚麦考瑞大学工程学院光子研究中心教授，研究方向为中红外光纤激光器。
E-mail: stuart.jackson@mq.edu.au
