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专家视点
从紧凑型全光纤激光器直接产生可见光，同时保持高输出特性，一直是激光技术的研究课题。在此，Ji等人提出了一种利用掺钬ZBLAN氟化物玻璃光纤中的激发机制开发双波长激光器的方法，实验实现了全光纤激光器的高输出性能，特别是在640 nm泵浦下在深红色波段工作。值得注意的是，在750 nm处实现了271 mW的最大连续波输出功率，斜率效率为45.1%，这是深红色波段芯径小于10 μm的全光纤激光器中记录的最高直接输出功率。此外，研究人员发展了一种由640 nm激光器泵浦的1.2 μm全光纤激光器。研究人员广泛研究了这两种激光产生过程与其在750 nm和1.2 μm波长下的性能之间的相关性。通过提高泵浦速率，研究人员观察到通过高激发态吸收过程有效地回收了粒子数，这有效地将粒子数恢复到深红色跃迁的上激光能级。此外，研究人员确定了这种激光器的优化条件，确定了填充激发态能级的过程，并建立了相应的光谱参数。这项研究在通过激发态吸收过程提高利用其他稀土离子的激光器的性能方面显示出巨大的前景，为全光纤超快激光器的进步铺平了道路。该工作发表在Photonics Research上。
Shuaihao Ji, Xuexian Lin, Bo Xiao, Zhongyu Wang, Xiuji Lin and Zhiping Cai, High performance visible generation of Ho3+-doped all-fiber lasers, Photon. Res. 11(12): 2121-2127 (2023).
全光纤激光器因其结构紧凑、散热性能优异、无需光学腔清洁而得到广泛应用，具有精密加工测量、生物光子学和国防应用等多种应用。用掺杂硅酸盐玻璃光纤对红外光学区特别是1 μm、1.53 μm和2 μm的高功率光纤激光器进行了很好的研究。这些激光器已经实现了超过千瓦级的光功率。此外，可见光激光器已经突破了瓦级的激光输出。然而，单包层全光纤激光器在可见光波段的输出功率仍限制在100 mW。这主要归因于两个主要因素。首先，作为可见激光产生主体的氟化物光纤具有较低的损伤阈值。其次，实现高性能可见光全光纤激光反射镜已被证明具有挑战性。
近年来，研究人员在使用各种传统方法来改善可见光锁模的超快可见光激光器的开发方面取得了重大进展，例如在掺Dy、Ho和Pr/Yb的光纤激光器中掺入8字形腔和自由空间非线性偏振旋转。然而，全光纤锁模激光器的输出功率仍局限于几毫瓦，限制了它们的应用。因此，继续探索高性能全光纤可见光激光器非常重要，因为在全光纤结构中实现可见光的连续波输出是利用高能脉冲的基础。
掺钬ZBLAN氟化物玻璃光纤因其在可见光到近红外区域的宽光谱资源而受到广泛关注。这些光纤为可见光产生过程提供了三种主要的泵浦选项。蓝色激光二极管泵浦产生高效的绿色激光输出，尽管光束质量有限。另一方面，由于5I7的长能级寿命，全光纤深红色激光器的最大输出功率仅为16 mW。与绿色泵浦相比，红色泵浦涵盖了更广泛的能级，有助于研究不同能级之间的相互联系和反转。此外，高性能红色固态激光器和以高损伤阈值而闻名的先进等离子体溅射涂层技术的实施，导致了以瓦级运行的深红色激光器的出现。这些研究提供了额外的证据，支持通过依赖于深红色和近红外激发的激发态吸收过程来增强激光输出特性。
01
为了更深入地了解掺杂激光器的激发和激光发射能力，以实现最佳性能，研究人员对增益光纤的光谱特性进行了全面的研究。如图1所示，通过自制640 nm连续波固体激光器的泵浦，在深红色和红外光谱区域检查了Ho3+: ZBLAN氟化物玻璃光纤的发射截面。光谱测量显示，750 nm深红色波长的发射截面为1.3×10-20 cm2，1.2 μm近红外波长的发射截面积为0.76×10-20 cm2。值得注意的是，当吸收的泵浦功率超过200 mW时，在1.2 μm处观察到自激光现象。实验重点进一步转向研究使用640 nm Ho3+:ZBLAN氟化物玻璃光纤的激光产生过程，特别关注750 nm和1.2 μm光纤激光发射。
基于上述发射特性，研究人员提出了ZBLAN氟化物玻璃光纤中钬离子的泵浦机制，如图2所示。通过吸收初始的640 nm光子，热化的5F5能级从基态5I8开始填充，然后非辐射衰减到较低的能级5I6。通过在5I6处积累粒子数，可以实现1.2 μm的激光发射。然而，640 nm的泵浦波长诱导了从5I6到5I5的激发态吸收，导致激光反转减少。这是因为640 nm的泵浦波长位于1.2 μm上能级激发态吸收的峰值。连续的双光子吸收进一步将离子激发到更高的水平，随后非辐射衰减到5F4和5S2的亚稳态水平。然而，由于其固有的长寿命，5I7级别作为较低的激光级别并没有天然的优势。5I7的显著泵浦诱导激发态吸收限制了粒子数的积累，并有效地缩短了5I7的有效寿命，这是5I7粒子数的主要原因。
02
为了研究使用640 nm泵浦的1.2 μm激光，输入镜（M1）被设计为在640 nm处达到约94.2%的高透射率，在1.2 μm处达到约99.5%的高反射率。相比之下，输出镜M2被设计为在1.2 μm处具有约30%的透射率，在640 nm处具有约20%的低透射率，以在增益光纤中吸收更多的泵浦能量。研究人员使用四种不同长度的掺钬ZBLAN氟化物玻璃光纤（即20 cm、30 cm、40 cm和50 cm）研究了1.2 μm的激光性能，获得的输出特性，如图4所示。使用配备有两个不同二向色镜的热电堆探测器监测激光的输出功率，以隔离750 nm和1.2 μm的功率水平。四种不同长度的增益光纤在1.2 μm处的激光阈值分别为37 mW、69 mW、73 mW和97 mW。可以看到，尽管输出镜M2在750 nm附近的透射率约为75%，但对于长度为20 cm的增益光纤，当泵浦光增加到530 mW时，似乎会出现双波长激光。随着增益光纤长度增加到30 cm和40 cm，750 nm激光器的发射阈值也增加了，分别为599 mW和653 mW。总激光效率随着光纤长度的增加而逐渐增加。1.2 μm发射的斜率效率在超过750 nm发射阈值后降低。750 nm发射的阈值随着光纤长度的缩短而降低，而相应的输出增加。此外，对于50 cm的有源光纤长度，在900 mW的吸收泵浦功率下实现了142 mW的最大输出功率。相应的斜率效率和阈值功率分别记录为16.1%和120 mW。
图5显示了不同长度的增益光纤在1.2 μm左右的激光输出光谱，从20 cm到50 cm开始，变化10 cm，其相应的激光波长分别记录为1195.76 nm、1197.50 nm、1198.40 nm和1199.18 nm。光谱的半最大全宽根据增益光纤的长度在1.6-1.1 nm之间变化。这些结果表明，随着增益光纤长度的增加，激光的波长红移。激光输出波长的变化可归因于低能级亚能级分裂和高能级泵浦光激发态吸收的影响。
鉴于高透射输出镜M2成功激发了深红色激光器，研究人员对深红色激光器进行了进一步的研究，从而开发了一种波长为750 nm的全光纤泵浦Ho3+：ZBLAN氟化物玻璃光纤激光器。图6展示了全光纤深红色光纤激光器的输出特性。使用了三种不同长度的Ho3+：ZBLAN氟化物玻璃光纤（即13 cm、20 cm和30 cm）以及两个输出镜（即M4、M5），在750 nm处的透射水平分别为50%和35%。研究采用的实验装置与图3中的装置相同。可以看出，在小于1 W的较低泵浦功率尺度下，研究人员实现了271 mW的最大功率，斜率效率为45.1%，激光阈值测量为168 mW。由于不同长度的增益光纤对泵浦光的吸收能力存在差异，对于20厘米长的有源光纤，由于输出镜降低了深红激光器的透射率，因此，输出功率和斜率效率都大大提高。
03
根据这些初步结果，研究人员设计了一个优化的激光腔，以最大限度地提高 750 nm 过渡的激光输出性能。为此，采用菲涅尔反射率为 4% 和高反射率为 99.9% 的光纤端面反射镜构建了深红色激光腔。如图7(a)所示，当泵浦功率为 3.54 W 时，测得的最大输出功率为1.40 W，而有源光纤长度为35 cm时的激光阈值为0.63 W。当吸收的泵浦功率为3.54 W时，斜率效率估计为50.2%。对于20厘米长的有源光纤，在吸收泵浦功率为3.54 W时，测得最大输出功率为1.34 W。斜率效率和阈值分别为42.0%和0.51 W。在有效光纤长度为50厘米时，泵浦功率为3.54瓦时的最大输出功率为1.29瓦，测量到的激光阈值为0.79瓦，斜率效率为45.7%。751.9 nm、752.6 nm和 753.3 nm的典型激光光谱分别与20厘米、35厘米和50厘米的有源光纤长度相对应。随着有源光纤长度的增加，激光峰值波长向光谱的长波长一侧移动。
04
研究人员开发了一个理论模型来进一步研究光纤长度、输出镜反射率和输出特性之间的关系，如图8所示。图8(a)显示了深红色激光输出功率和激光阈值，它们是输出镜反射率和750 nm处有源光纤长度的函数。实心黑色和虚线黑色曲线表示13 cm和30cm增益光纤长度的模拟输出功率特性，作为输出镜反射率的函数。红色实线和红色虚线曲线是模拟的阈值功率，是不同输出镜传输下光纤长度的函数，分别为约35%和约50%。圆圈和三角形是实验测量的数据点。这些都很好地拟合在模拟曲线上，这告诉我们实验结果和模拟结果之间的良好一致性。在一定程度上，随着输出镜透射率的增加，激光输出功率也会增加，直到达到光纤端面的菲涅耳反射。
研究人员将镜面反射保持在菲涅耳反射，并探索了最佳增益光纤长度，以在750 nm处获得最大输出功率，如图8(b)所示。实心黑色曲线表示输出功率作为光纤长度的函数的模拟结果，其中泵浦功率和反射率等其他参数固定。对于相对较短的光纤长度，激光输出功率随着光纤长度的增加而显著提高。随着长度的进一步增加，输出功率在30厘米处达到最大值，然后回落并继续下降，这表明光纤中的背景损耗显著限制了激光输出功率。此外，研究人员还通过实验测量了不同增益光纤长度（20-57.5 cm）下的输出功率，如红色实心圆圈所示。红色虚线曲线是对实验数据点的拟合。在30 cm处测得的最大输出功率为1.46 W。模拟和实验结果吻合良好。
结合上述实验和模拟结果，研究人员进一步分析了图2中所示的功能。在相对较低的泵浦速率下，通过在640 nm下泵浦，可以很容易地获得1.2 μm的激光，如能级图所示。随着泵浦能量的增加，从5F4、5S2能级到5I7能级发生了粒子数反转。如图4所示，750 nm激光在相对较高的阈值泵浦功率下的发射实验证实了这一点。有趣的是，尽管深红色波段的信号强度很强，但从5I7到5F3的激发态吸收变得更加突出，使泵浦能量在750 nm处转化为深红色激光的转换效率达到最佳。如图7(a)所示，在750 nm处形成具有菲涅耳反射率的腔，实验证实了这一现象。
总之，研究人员实现了在640 nm的低抽运速率下产生近红外激光。通过精确优化激光腔设计，在全光纤激光系统的深红波段实现了单包层光纤的最高输出功率。在全光纤激光器配置中使用掺钬增益光纤，在750 nm波长处实现了271 mW的输出功率。令人印象深刻的是，全光纤深红激光器的斜率效率达到了45.1%，比之前的记录高出10倍。此外，研究人员还重点研究了钬离子的能级分布和光谱特性，推测并随后验证了通过掺钬离子的光纤中激发水平吸收的激光机制。利用这一机制，研究人员开发出了具有卓越输出特性的深红色光纤激光器。这一进展为其他掺稀土光纤激光器研究激发态吸收提供了参考，有效地解决了由于激光跃迁中低能级的寿命较长而导致输出特性较低的问题。
研究人员简介
蔡志平，厦门大学电子科学与技术学院教授，研究方向为光电子技术。
E-mail: zpcai@xmu.edu.cn
