1、背景

　　近紅外激光在激光通信、材料加工及強(qiáng)場(chǎng)物理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。近年來，位于近紅外900 nm波段的激光器受到越來越多的研究關(guān)注。一方面，～900 nm激光可應(yīng)用于泵浦摻Y(jié)b3+激光材料、大氣探測(cè)和生物醫(yī)療。更重要的是～900 nm激光可以倍頻產(chǎn)生～450 nm深藍(lán)激光，在深海通信、激光存儲(chǔ)、激光顯示、原子物理等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。

　　目前，研究者們主要通過半導(dǎo)體激光器、固體激光器和摻釹光纖激光器獲得～900 nm激光。基于摻釹石英光纖激光器可實(shí)現(xiàn)小型輕量化、波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)、光束質(zhì)量高的?900 nm激光，近年來得到較多的研究關(guān)注。但通常摻Nd3+激光材料的主要發(fā)射位于~1060 nm，這導(dǎo)致?900 nm激光效率低下且極易產(chǎn)生~1060 nm自發(fā)輻射，強(qiáng)烈限制了其輸出功率和應(yīng)用。

　　2、研究現(xiàn)狀

　　(1)

　　為了獲得純凈的?900 nm光纖激光，此前研究者們主要采取濾除纖芯的~1060 nm發(fā)光的方式。主要手段包括：

　　a)基于空間元件的光譜濾波：在光路中引入濾除～1060 nm光而保留～900 nm光的帶通濾波片或者二向色鏡，從而抑制~1060 nm寄生振蕩。

　　b)引入彎曲損耗：由于波導(dǎo)色散的作用，長(zhǎng)波光在光纖中的傳播路徑更接近纖芯的邊緣，當(dāng)光纖彎曲時(shí)，靠近纖芯邊緣的長(zhǎng)波光有更高的概率逸出纖芯。因此通過引入彎曲損耗，可抑制～1060 nm寄生振蕩。

　　c)基于光纖波導(dǎo)的光譜濾波：通過設(shè)計(jì)W型光纖或光子帶隙光纖，使得光纖在～1060 nm附近的傳輸損耗遠(yuǎn)大于在?900 nm附近損耗，從而抑制~1060 nm寄生振蕩。

　　在同一個(gè)?900 nm光纖激光系統(tǒng)中往往需要聯(lián)合使用這些方案以達(dá)到更好的抑制效果。但基于這些方案的全光纖化～900 nm光纖激光功率記錄仍然處于很低的水平(< 3 W)。

　　(2)

　　a)低溫運(yùn)轉(zhuǎn)：摻釹光纖～900 nm躍遷為三能級(jí)系統(tǒng)，低溫冷卻可降低基態(tài)能級(jí)熱布居，使三能級(jí)躍遷轉(zhuǎn)變?yōu)闇?zhǔn)四能級(jí)系統(tǒng)，有助于縮小與～1060 nm四能級(jí)躍遷之間的增益差，從而利于獲得?900 nm激光。但復(fù)雜的低溫系統(tǒng)缺乏實(shí)用性，而在摻釹光纖中有更多有效而實(shí)用的抑制～1060 nm寄生振蕩的方案，采取該方案的～900 nm光纖激光研究近年鮮有報(bào)道。

　　b)纖芯材料設(shè)計(jì)：摻釹石英玻璃的發(fā)光性質(zhì)與Nd3+配位結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，通過Judd-Ofelt 理論分析，可調(diào)整Nd3+離子的配位環(huán)境提高摻釹石英玻璃～900 nm熒光分支比，從根本上解決躍遷競(jìng)爭(zhēng)的問題。

　　圖1 Nd:YAG中4F3/2 → 4IJ躍遷熒光分支比與X的關(guān)系

　　3、課題組研究進(jìn)展

　　本文介紹了本課題組提出的主動(dòng)式增強(qiáng)～900 nm發(fā)光的方案及在～900 nm光纖激光研究方面取得的進(jìn)展。詳述了通過改變石英玻璃中Nd3+離子的配位環(huán)境提高～900 nm熒光分支比的理論基礎(chǔ)及實(shí)驗(yàn)方法。利用該方案制備的摻釹石英玻璃～900 nm發(fā)射強(qiáng)度反轉(zhuǎn)超過～1060 nm發(fā)光強(qiáng)度，拉制的光纖在全光纖化結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了113.5 W的～900 nm高功率激光輸出，比此前的全光纖化～900 nm光纖激光功率記錄高兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

　　圖2 摻釹石英玻璃的光譜特性。(a) 引入不同陰離子的摻釹石英玻璃的光致發(fā)光光譜;(b) 4F3/2能級(jí)到各激光下能級(jí)的積分熒光強(qiáng)度(所有的積分熒光強(qiáng)度為相對(duì)各自～1060 nm積分強(qiáng)度的相對(duì)值);(c) 引入碘的摻釹石英玻璃及商用摻釹激光材料的光致發(fā)光光譜;(d) 引入不同陰離子的摻釹石英玻璃及商用摻釹激光材料的發(fā)光衰減譜及熒光壽命

　　該方案為～900 nm激光的研發(fā)提供了新思路，同時(shí)有望應(yīng)用于其他稀土摻雜激光材料的光譜調(diào)控。進(jìn)一步采用該類光纖獲得了全光纖化920 nm高重頻超短脈沖激光、890 nm及910 nm 單頻激光、平均功率10 W級(jí)的920 nm穩(wěn)定皮秒脈沖超短激光，為～900 nm全光纖激光的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　圖3 全光纖化摻釹光纖放大器光路圖。(a) LD:激光二極管，CPS:包層功率剝離器，PM:功率計(jì)，OSA:光譜分析儀。激光輸出-輸入曲線;(b)插圖為八邊形結(jié)構(gòu)的摻釹石英光纖斷面圖，輸出功率為113.5 W時(shí)放大器的激光光譜;(c) 插圖為此時(shí)功率計(jì)照片

　　4、結(jié)論和展望

　　主動(dòng)式提高Nd3+離子為獲得高性能～900 nm光纖激光提供了全新的材料解決方案。基于該方案已獲得全光纖化927 nm百瓦量級(jí)激光、920 nm高重頻超短脈沖激光、890和910 nm單頻激光及920 nm高平均功率皮秒脈沖激光。相信通過降低摻釹光纖損耗、改善光纖數(shù)值孔徑及聯(lián)合使用其他～1060 nm寄生振蕩抑制技術(shù)，研究人員有望實(shí)現(xiàn)數(shù)百瓦甚至上千瓦的高光束質(zhì)量～900 nm光纖激光輸出，其倍頻藍(lán)光、四倍頻紫外光甚至深紫外光功率也將得到進(jìn)一步提升，從而推動(dòng)～900 nm光纖激光在生物成像技術(shù)、貴金屬加工及增材制造技術(shù)、深海通訊等領(lǐng)域的應(yīng)用。

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