中红外光纤激光器
摘要
位于2~5μm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 μm 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2~5μm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3μm附近有很强的吸收峰）此外，采用2～5 μm 替代目前广泛使用
的1.55 μm 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2～5 μm 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Ⅱ–Ⅵ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。
1.2 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，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(1~2μm),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
个元素密切相关的两个元素——钪(Sc)和钇(Y)共17种元素。镧系元素具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2~5 μm 跃迁，上下跃迁能级能量间隔则需要处于2 000~3 300cm-1 之间。他们在中红外的能级图如图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Ho
3+，Pr
3+
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5I
6能级,而发生于5I
6
能级
的能量传递上转换(ETU)将会导致5I
6
能级上粒子数降低,因此需要尽量避
免。Ho3+的5I
7能级到Pr3+的3F
2
能级的能量传递则会使得激光低能级5I
7
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3μm 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5I
7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。
图3 共掺杂Ho 3+，Pr 3+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，W 0 是带隙为零时且没有声子发射时的转移速率，为常数。P i 为声
子阶数，
。△E 为能级间的能量间隔，ω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()NR W W E α=-∆1(ln /1)
i p g αω-=-/i p E ω=∆
