掺铥光纤激光器的研究

摘要掺铥（Tm3+）光纤激光器的研究和应用最近几年来受到了国际科技界的广泛重视。因为其成本低、易于制作等特点，而且工作波长对目前和将来的某些应用尤其重要，例如在光通信、医学、传感器和光谱学等领域。本文共分五章：第一章介绍了光纤激光器的结构和工作原理等；第二章和第三章从不同的基质材料分别介绍了两种掺铥光纤激光器；第四章介绍了铥作为敏化剂的铥钬共掺的光纤激光器；第五章综合了近几年来掺铥光纤激光器的发展现状。关键词：光纤激光器，频率上转换，铥，钬AbstractRecentyears,peopleofworldwidepayattentiontotheresearchandapplicationofTm3+-dopedfiberlaser.Becauseofitslowcostandeasymanufacture,andtheworkingwavelengthismuchmoreimportantinsomeareasnowandinthefuture,suchasopticalfibercommunication,medicalscience,thespectrumlearnsandsoon.

Thispaperincludesfivechapters.Thefirstoneintroducesthestructureandworkingreason.ThesecondandthirdonesintroducethetwokindsofTm3+-dopedfiberlaserfromdifferentbasicmaterials.TheforthoneintroducesTm:Ho-dopedfiberlaser.AndthefifthoneintroducesthedevelopmentofTm3+-dopedfiberlaserinrecentyears.Keyword:fiberlaser,frequencyupconversion,Tm,Ho目录绪论……………4光纤激光器综述1.1光纤激光器的基本结构和工作原理……………51.2光纤激光器的优点…………………9掺铥氟化物光纤激光器2.1掺铥氟化锆光纤激光器…………112.2掺铥氟化物上转换光纤激光器…………………12第三章掺铥石英光纤激光器3.1掺铥石英单模光纤激光器…………………183.2掺铥石英光纤的频率上转换………………21第四章铥钬共掺光纤激光器4.1铥钬共掺包层泵浦石英光纤激光器………284.2高效率铥敏化的掺钬CW氟化物光纤激光器……………33第五章掺铥光纤激光器的研究现状5.1掺铥氟化物光纤激光器……38掺铥石英光纤激光器………41结束语………42参考文献………………………43绪论信息技术已成为经济发展、社会进步的关键。现代通信网作为信息社会不可缺少的基础结构，世界各国都把它放在积极重要和优先的发展地位。自光纤通信问世以来的短短一二十年间，其发展异常迅速。激光器的发明对于光纤通信有着跨时代的意义。掺稀土离子光纤激光器以其特有的简单、效率高、成本低、传输激光波长多、可调谐等特点正引起人们极大的兴趣。光纤激光器是一种很有希望的便携式小型化激光光源，具有重要的应用价值。掺铥（Tm3+）光纤激光器有很大的市场潜力。由于它可提供其它稀土离子不能提供的波长在2μm左右的长波激光振荡，与水的吸收峰相接近，有极好的对人体组织切割和凝血效果，可以用普通光纤传输，是理想的手术激光光源。而且其体积比其它的掺杂激光器要小得多，方便治疗和携带。基本上能溶解各种肿块，可治疗多种疾病。美国已批准20多种2μm激光在医疗临床使用。而且其泵浦波长落在800nm区域内，同时具有很宽的增益谱带输出，2μm激光对人眼安全，大气穿透好，可作为激光雷达光源，其综合性能优于ND:YAG和CO2激光器。因此在光通信、医学、眼睛安全的近距离遥感技术、视觉、光谱学、超快光学及环保等方面都具有重要的应用价值。正因为如此，掺铥光纤激光技术是一个越来越受到国际学术界重视的热门研究方向。光纤激光器综述在目前Si基光纤和未来的中红外光纤系统中，光纤激光器是潜力巨大的光有源器件。光纤激光器按其激射机理可分为稀土掺杂光纤激光器、光纤非线性效应激光器、单晶光纤激光器、塑料光纤激光器和光纤孤子激光器，其中以稀土掺杂光纤激光器的开发最为成熟，并已应用于光纤通信系统。1.1光纤激光器的基本结构和工作原理1.1.1基本结构稀土离子掺杂的光纤反射镜1反射镜2泵浦光未转换的泵浦光激射输出光反射镜1：R=100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）反射镜2：R<100%（对激射波长光）R=0%（对泵浦波长光）图1.1光纤激光器的基本构形图1.1示出典型掺稀土离子光纤激光器的基本构形。增益介质为掺有稀土离子的光纤芯，掺杂光纤夹在两个仔细选择的反射镜之间，从而构成法布里-珀罗（F-P）谐振器。泵浦光束从反射镜1入射到稀土离子掺杂光纤中，激射输出光从反射镜2输出来。从某种意义上讲，光纤激光器实质上是一个波长转换器，即通过它将泵浦波长光转换为所需的激射波长光。基本工作原理掺稀土离子光纤激光器的基本原理如下：当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激射能级，从而实现通常所说的粒子数反转。反转后的粒子以辐射形式或非辐射形式从高能级转移到基态，前者就是通常所说的受激发射，后者为自发发射。由于激射是一种放大过程，要维持受激发射的增益，首先必须保证有足够的反转的粒子数，泵浦是实现粒子数反转的必要条件。泵浦由外部较高能量光源提供。如果是两个能级参与激射，要维持受激发射增益还要求泵浦源能量高于较高能级的能量。由于泵浦能量高于激射能级，所以激射的光子波长应比泵浦光子的波长要长，这一特点为光纤激光器的实用化提供十分有利的条件，即可以用廉价的、成熟的GaAs激光器作为泵浦光源，从光纤激光器获得各种波长的激射输出。快速弛豫快速弛豫泵浦泵浦激光跃迁激光跃迁快速弛豫(a)三能级系统(b)四能级系统图1.2三能级和四能级系统能级图光纤激光器的工作状态（CW或脉冲输出）取决于激活的介质。对连续波（CW）工作来说，较高激射能级的自发寿命必须大于较低激射能级的自发寿命。光纤激光器有两种激射状态，一种是三能级激射，另一种是四能级激射，如图1.2所示。两者差别在于较低能级所处的位置。在三能级激光器中，较低能级基本上处于基态位置；而在四能级激光器中，有较低能级向基态跃迁的可能性。通常情况下，三能级激射的阈值功率高于四能级激射的阈值功率，因此，总是希望选取四能级激射机构。此外，激射的能级数直接影响激光器的阈值功率和掺杂光纤的长度。在四能级激光器中，阈值功率随光纤长度增加而下降，想获得低的阈值功率，应增加光纤的长度。而在三能级激射的激光器中，在最低阈值功率时有一个最佳的光纤长度。为了更加清楚的了解光纤激光器的工作原理，必须对下面几个问题有所了解：1、稀土离子稀土离子是光纤激光器的核心，因为它决定着对光泵的吸收和激射光谱。1D21G43F2,33F4μmμm～480μm3H5μm3H4μm3H6图Tm3+的能级图稀土元素是化学元素周期表倒数第二行的一组元素，共计15个元素，其范围从具有原子数57的镧（La）到具有原子束71的镥（Lu）。所有的稀土原子都具有相同的5S25P66S2外层电子结构，占据内部4f电子壳层的电子数的多少，支配着它们的光学特性。稀土元素通常是给出一个三价态形式（如Er3+、Tm3+）发生离化。Tm3+的能级如图1.3所示。稀土离子在光纤中的浓度是十分重要的，浓度太低，可得到的离子数少，实现不了激射。但浓度过高又易引起浓度猝灭，导致较高激射能级上粒子数的减少。此外，浓度过高还会在玻璃矩阵中发生结晶。实验表明，最佳的激射结果有一个最佳的掺杂浓度，对大多数SiO2光纤和氟锆酸盐光纤来说，掺杂的浓度一般在百万分之几百。2、基质材料通常，玻璃是形成稀土掺杂光纤的基质材料。基质材料是由共价结合的分子组成，形成无规则的网状矩阵。稀土离子作为网状系统的调节剂存在或者填隙式地存在于玻璃网状物中。尽管光纤激光器的光学特性主要受稀土离子的控制，但玻璃基质对光学特性也有着重要影响，这些影响包括由于基质原子间的结电场非均匀性分布引起的Stark分裂，导致光谱呈现出结构分布。另一个影响是由于基质电场不均匀性引起的能级扰动或由于声子增宽导致能级增宽。已采用的基质材料是Si基质或基于氟化锆化合物玻璃组分基质，即通常所说的ZBLANP光纤，这种光纤不仅是制作光纤激光器的基质材料，也是理想的中红外传输光纤。3、法布里-珀罗谐振腔如图1.1所示，光纤激光器的法布里-珀罗（F-P）谐振腔是由稀土掺杂的波导光纤和一对平行的透射、反射镜组成的，当泵浦光通过器件发射光束时，可获得较高的激射输出和较低的反射输出强度。当腔长等于波长的1/2整倍数且谐振之间的频率间隔是自由光谱范围（FSR）时，谐振腔发生谐振。典型光纤激光器的腔长在0.5～5m之间。对四能级机构，可采用较长的光纤来降低激射阈值功率。掺杂浓度为300ppm的三能级光纤激光器的最佳腔长为1m。为使内腔的损耗降至最低，光纤激光器的光线中心轴线必须与反射镜面垂直，因此，必须仔细定位反射镜的位置。如图1.1所示，光纤激光器有两个反射镜，一个是泵浦入射的反射镜，这个反射镜对泵浦光应有100%的透射，而对激射光应有100%的反射。另一个反射镜是激射输出边的反射镜，为了将激射光耦合出来，该反射镜对激射波长的反射率应小于100%。输出反射镜对激射波长的最佳反射率取决于激射介质的增益，在低增益系统中，最佳反射率应大于或等于95%；而在高增益系统中，最佳反射率应小于或等于70%。如果输出反射镜完全透射泵浦波长光，则泵浦光与激射光一起出射，未转换的泵浦光可用滤光器滤掉。1.2光纤激光器的优点在光纤通信中，稀土掺杂的光纤激光器较之半导体激光器有如下优点：（1）不必经过光电转换可直接对光信号放大。在不改变原有的噪声特性和误码率前提下，可以直接放大数字、模拟或者二者的混合数据格式。因此，对于既有数字格式又有模拟格式的网络（即同时传送语音、图像和数据的网络）特别适宜使用光纤激光器。（2）光纤激光器容易在低泵浦功率实现连续波（CW）工作。（3）由于光纤激光器的圆柱形几何尺寸，容易耦合到系统的传输光纤中。μmμm以及2～3μm中红外波长的光纤激光器。（5）光纤激光器与现有的光纤器件（如耦合器、偏振器和调制器）是完全相容的，故可以制作出完全由光纤器件组成的全光纤传输系统。（6）通过定向耦合技术和Bragg反射器技术，可以制作出窄线宽、可调谐的光纤激光器。（7）光纤激光器可以作为光孤子通信的理想光源。第二章掺铥氟化物光纤激光器铥离子是可掺杂稀土离子之一。用作光纤基质的材料有石英、氧化物、磷酸盐、氟化物材料等，目前掺铥光纤主要是指掺铥氟化物光纤和掺铥石英光纤。掺铥光纤可以得到多种颜色的激光。它的泵浦波长落在800nm区域，可实现商用半导体激光泵浦，实现全固化。2.1掺铥氟化锆光纤激光器氟化锆玻璃（ZBLANP）作为基质的光纤激光器在更低损耗的中红外通信系统中具有潜在的应用前景。因为在中红外波长下光纤由于瑞利散射和吸收引起的损耗非常小，传输窗口在2～3μm之间。作为激光介质，氟化锆光纤又具有许多重要的特性。在氟化锆光纤中，非辐射跃迁的寿命较之硅光纤要长，这是由于吸收带进入红外区，声子具有较低的能量所致。因此，对给定的能量，产生较多的声子，衰减速率随声子数目增加，非辐射跃迁可能性减小。对给定的泵浦功率水平，可得到较高的荧光，最终能得到效率较高的激光器。μmμm处的铥系统为四能级系统。其泵浦带也是激光工作的上能级。对于50cm长的多模光纤，脉冲宽度为200μs，每个脉冲有25μJ的能量就足以获得激光输出。如果用连续泵浦进行激发，其阈值功率则高达16mW。因为ZBLAN光纤的最小损耗波长范围在2～3μmμm的激光跃迁对于使用掺铥光纤激光器的超低损耗光纤通信系统尤为重要。3H4激光输出3H53F4泵浦3H6图2.1Tm3+μm激光跃迁能级图铥离子在氟化锆玻璃中的简化能级图如图2.1所示，其中能级3H4是Tm3+的第三个激发态。激光上能级3H4μs，这是对掺铥浓度为0.1%的块状玻璃样品进行脉冲衰减测量所得的数据。激光下能级3H5的寿命非常短（一般约为几个微秒），通过多声子的非辐射跃迁迅速回到3F4μm脉冲激光输出可以通过一个显微物镜聚焦后被探测。2.2掺铥氟化物上转换光纤激光器2.2.1引言μmμm的光可以用于光通信的放大系统之中，等等。在氟化物玻璃中，能拉制成性能良好光纤的玻璃系统为氟化锆酸盐玻璃，它作为激光基质材料具有很多优点：（1）氟化物玻璃从紫外到红外（0.3～7μm）都是透明的；（2）作为激活剂的稀土离子能很容易的掺杂到氟化物玻璃基质中去；（3）与石英玻璃相比，氟化物玻璃具有更低的声子能量（～500cm-1）。在石英玻璃中由于基质具有高的声子能量，使稀土离子发生无辐跃迁的几率增大，能级寿命减小，所以要发生辐射跃迁，能级间距一般不小于4000cm-1，然而在氟化物玻璃中这一间距减小到2500～3000cm-1。因此，稀土离子的能级在氟化物中具有较长的寿命，形成更多的介稳能级，有丰富的激光跃迁。由于氟化物玻璃具有以上的优良光学性质，所以现在的上转换光纤激光器的研究主要集中在氟化物玻璃中。光纤的几何结构也使得激光的输出变得很容易：光纤的芯径很小，仅微米量级，在光纤中可以产生很高的光泵能量密度。目前，氟化物光纤激光器一般在室温下就可以输出激光，而要在晶体中产生上转换激光，大都要在低温下进行。光纤柔软，可以弯曲，可以把很长的光纤安装在一个很小的容器内，使整个激光器的几何体积很小。2.2.2上转换发光机理上转换发光是一种利用多光子的吸收产生辐射跃迁的过程。现在用于光纤激光器中的主要类型是利用稀土离子的激发态吸收，用低能量的泵浦光把离子激反到能量高于泵浦光子能量的能级，然后向能量比较低的下能级跃迁，可以产生波长比泵浦光波长短的激光。一般认为上转换发光的产生主要有三种过程：激发态吸收（ExcitedStateAbsorption，简写成ESA）。一个基态离子吸收两个光子，第一个光子使离子从基态跃迁到亚稳态使该亚稳态的离子数集聚，第二个光子使离子进一步从该激发态跃迁到更高的能级上，只要该能级的粒子数足够多，形成了粒子数反转，即可实现较高频率（与泵浦光相比）的激光辐射，这个过程也称之为步进多光子吸收过程（StepwiseMulti-photonAbsorption）。能量转移（EnergyTransfer，简写成ET）。两个能量相近的离子通过非辐射过程耦合，一个回到基态，把能量转移给另一个，使之跃迁到更高的能级，多数情况下，这种交叉弛豫过程均以电耦极子间的相互作用为基础，但声子也可参与这种能量转移过程来弥补施主离子与受主离子间的能量不匹配，有些文献中称这种过程为多个激发态离子的共协上转换过程（GooperativeUpconversion）。光子雪崩上转换（PhotonAvalancheUpconversion）。该过程是由于离子激发态对泵浦光的吸收，以及离子间的交叉弛豫，导致中间亚稳态上布居数的正反馈增加，从而形成有效的上转换，雪崩上转换是一种特殊的非线性激发机制，在这种激发过程中，泵浦光与激发态之间的跃迁相共振而不与基态共振。33ESAhvhvESA22ET5GSAGSA114(a)单掺一种稀土离子(b)双掺稀土离子GSA——基态吸收ESA——激发态吸收ET——能量传递图2.2上转换发光过程2.2.3掺铥的氟化物上转换光纤激光器根据所选用的泵浦波长和激光谐振腔的不同，掺Tm3+μmμmμmμm）。如图2.3所示，图中给出了Tm3+的能级在氟化物玻璃中的寿命。1D20.05ms3G4μmμm3F2,3μm3F4μmμmμm64μmμm3H33H4μmμmμmμm3H6μmμmμmμm图2.3Tm3+的上转换过程μmμm）激励下，Tm3+先产生基态吸收（GSA），从基态3H6跃迁到3H5，处于3H5的Tm3+通过无辐射跃迁（NRD）弛豫到能级3H4。之后在光泵浦的继续作用下，发生激发态吸收（ESA），Tm3+跃迁到能级3F3；处于此能级上的粒子通过NRD弛豫到3F4，再通过ESA跃迁到激光上能级1G4。整个泵浦过程为三光子吸收。布居在激光上能级1G4上的粒子向下能级（基态）3H6μm的辐射。μm的跃迁比较困难，这一跃迁的下能级3H4的寿命比上能级1D2μmμmμm的泵浦光作用下，由Tm3+产生GSA和ESA，Tm3+跃迁到激光的上能级1D2μm的泵浦光使处于激光下能级3H4的粒子发生ESA，使粒子停留在3H4上的时间缩短，这相当于使能级3H4的寿命缩短了，减少了能级3H4上的粒子数，所以对于能级1D2和3H4μm（1D2→3H4）的跃迁。Tm3+产生的两条蓝光都可以用于数据的存储之中。Tm3+μmμm）在相同的激光上能级3F4μm）。粒子对激光上能级的布居过程如下：在泵浦光的激励下，Tm3+首先产生GSA，跃迁到3H5能级。这一过程的吸收很小，但随后产生的ESA（3H4→3F2μm的激光跃迁的下能级为3H4μm的跃迁一样，从3H4能级上产生的ESA使3H4μm的激光上、下能级间的粒子数反转不难实现，产生激光跃迁（3F4→3H4μm跃迁的激光下能级为基态3H6，由于基态吸收（GSA）很小，要使激光上、下能级3F4和3H6μm跃迁（3F4→3H6）的阈值很高。Tm3+μmμmμm的激光输出是Tm3+系统中研究得最多的。这一波段处于第三通信窗口的尾部，把掺Tm3+的氟化物光纤与掺Er3+μmμmμm的光非常适合于作为掺Er3+μm3+上转换氟化物光纤激光器的主要参数和输出特性。表2.1掺Tm3+上转换氟化物光纤激光器的主要参数和输出特性Tm3+浓度(%)激光跃迁波长(μm)光纤芯径(μm)光纤长度(m)泵浦光源及泵浦光波长(μm)激光阈值(mW)最大输出功率(mW)斜率效率(%)激光波长调谐范围(μm)…2Nd:YAG(1.12)46573238010630…3Dyelaser(0.645+1.064)90……119Nd:YAG(1.064)1751000291.012Nd:YAG(1.064)1500120037第三章掺铥石英光纤激光器随着光纤通信技术的发展，掺稀土元素的光纤激光器和放大器应运而生。实现激光输出和光信号放大，其途径之一是利用掺稀土元素的光纤。由于掺Er3+μm波长可实现振荡和增益放大，倍受人们的关注，目前相关的研究及应用已逐步走向成熟。而掺Tm3+石英光纤在中红外波段具有独特的吸收谱和荧光谱，2μm辐射在医学、生物学和近距离遥感等方面具有潜在的应用价值，也逐步受到人们的重视。3.1掺铥石英单模光纤激光器3.1.1实验装置μm的激光进行了初步研究。实验中采用的掺Tm3+石英单模光纤是使用改进的化学气相沉积（MCVD）法拉制的。光纤具体参数是：掺杂浓度为1000×10-6μmμm。3+μm附近很宽的带宽内有较强的吸收。3+μm激光泵浦使Tm3+稀土离子从基态3H6跃迁到3H5，然后Tm3+离子快速无辐射弛豫到3H4态，激发态Tm3+离子由3H4态向3H6μm左右波长的激光。图3.1掺Tm3+石英光纤的吸收谱1D21G43F2,33F43H4μmμm3H6图3.2掺Tm3+石英光纤中Tm3+的能级结构图3.3是实验原理图。实验中采用线性腔体，M1μm带反射率R=98%，而在λp=μm处透过率T=95%，M1和M2参数相同，输入输出耦合透镜为普通生物显微物镜10倍镜头，光纤使用精密光纤切割刀垂直光纤切割，光纤端面直接接触在平面反射镜上，从腔内去掉对激光波长吸收较大的生物显微物镜镜头，以减小腔体损耗，降低泵浦阈值，从而避免Tm3+稀土离子在3H4态的多光子激发态吸收产生可见光辐射，降低腔体效率。掺Tm3+石英单模光纤长度分别为1.7m，1m，0.7m，0.5m。泵浦光源为美国Quantronix公司的416D型Nd3+μmμm激光，探头型号为LM－2IR，为锗光电二极管。测量时将光栅单色仪的输出狭缝开到最大，将功率计探头放在单色仪输出狭缝P2μm输出功率，然后由拟合曲线定出功率计表头实际读数。耦合进光纤的泵浦光功率使用光谱物理公司405型功率计在P1处测量。L1M1M2L2modelWDG500－1P1Tm3+fibermonochromatorPbSdetectorNd:YLFχ－yrecorderμm图3.3掺Tm3+石英光纤激光器谐振腔及实验原理图3.1.2实验结果μmμmμmμm处实验用的掺Tm3+石英光纤对泵浦光的吸收也比较低，如果泵浦光功率太高，腔体膜片M1μm，187mW泵浦功率下，最大输出功率只有153μWμm，斜率效率仅为0.32%。为避免泵浦功率太强而烧坏耦合双色镜膜片，进入耦合透镜的泵浦激光功率限制在450mW以下。μmμm泵浦激光功率的关系μmμmμmμm，这个结果显示光纤长时对长波激光吸收更强一些，因而光纤长度短一些有利于更长波长激光振荡。3.2掺铥石英光纤的频率上转换3.2.1引言掺Tm3+光纤上转换可见光在蓝、绿激光方面有着诱人的应用前景，可用于水下通信以及光存储、光数据处理、激光打印等。与利用宽禁带半导体材料直接制作蓝绿波段的半导体激光器以及非线性频率变换技术得到绿光相比，上转换光纤激光器具有简单、效率高、成本低等优点，正在成为一种产生短波长可见光的高效、实用、经济的有效手段。杜戈果等人研究了国产掺Tm3+石英光纤在室温下的上转换发光，得到了紫外、蓝光、红光、近红外光的上转换荧光，测量了荧光谱以及发光强度随泵浦功率的变化，分析了上转换机制，并对实验中的一些现象进行了讨论。3.2.2实验方法铥（Tm）是Ⅲa系金属，原子序数69，在失去6s支壳层上2个电子和4f支壳层上1个电子后，以正3价离子形式掺杂在石英光纤中。Tm3+μm，数值孔径0.251。1D21G41053nm3F2,33F41053nm3H53H41053nm3H6图3.5掺铥石英光纤的简单能级图实验采用一台美国Quantronix公司4216D型Nd3+:YLF激光器作为泵浦源，工作波长1053nm，激光器运行在连续状态。实验装置如图3.6所示。用25×的显微镜物镜镜头耦合，耦合效率约为50%。光谱测量系统采用国产WDG500－1A型1m光栅单色仪，采用国产多碱阴极光电倍增管作为探测器。泵浦光12345681,2：光栅3,5：25×显微镜物镜镜头4：掺Tm3+石英单模光纤6：单色仪7：光电倍增管8：X－Y记录仪图3.6实验装置图3.2.3实验结果与分析讨论在1053nm连续激光照射下，在实验室黑暗的情况下，人眼可以看到掺Tm3+3+石英光纤在泵浦功率328mW是从紫外光到近红外光的发射光谱。涉及到的能级跃迁已标于图中，近红外光、红光、蓝光和紫外光波长分别为802.9nm、651.4nm、477.4nm和387.4nm。中心波长与文献[4]报道的稍有出入，可能与基质组分不完全相同和掺杂不均匀有关，也可能与测量仪器的精度和测量误差有关。图3.7掺铥石英光纤在1053nm泵浦下的上转换荧光谱（各谱线纵坐标不同）为了分析频率上转换的泵浦过程，实验研究了不同泵浦激光强度下的上转换荧光强度的变化情况。图3.8为双对数坐标中上转换荧光强度随泵浦激光功率变化的实验曲线（L=1.2m）。离散点为实验数据点，直线为拟合曲线。三条直线的拟合方程分别为：即近红外光、红光和蓝光的对数曲线的斜率分别为2.28、2.86和2.88。这一实验结果证实，近红外光荧光强度与泵浦激光功率成二次幂关系，因此泵浦过程属于两光子吸收过程。而红色荧光和蓝色荧光的泵浦过程则属于三光子吸收过程。为了详细说明泵浦过程，根据文献［4］所给出的能级图估算了各能级间可能的跃迁，列于表3.1中。

图3.8荧光谱线强度随泵浦功率的变化从表3.1可以得出，近红外荧光的产生如下：在连续1053nm激光泵浦下，一个Tm3+吸收一个泵浦光子，从基态3H6跃迁到3H5的多重态上，紧接着快速无辐射弛豫至稍低的激发态3H4，然后在这个激发态上又吸收一个泵浦光子，跃迁到3F2,3的多重态上，接着弛豫到激发态3F4，然后发射近红外荧光回到基态，是步进的双光子吸收过程；如果Tm3+在激发态3F4上又吸收一个泵浦光子，跃迁到1G4的多重态，表3.1根据能级图估算的能级跃迁能级跃迁波数(㎝－1)波长(nm)3H4→3H6608116443H5→3H6→3H482882207120745313F4→3H6→3H4→3H51256864874280796154223363F2,3→3H6→3H4→3H5→3F4148658784657722976731138152043541G4→3H6→3H4→3H5→3F4→3F2,321622155411333490456757462643750110414801D2→3H6→3H4→3H5→3F4→3F2,3→1G4270272094618739144591216254053704775346928221850然后向下跃迁。跃迁至激发态3H4，产生红色荧光；若跃迁至基态3H6，则形成蓝色荧光。由此可说明红色荧光和蓝色荧光的产生属于步进的三光子吸收。由于紫外光太弱（仅能在高泵浦功率下观测到），没有分析其强度与泵浦功率的关系。其产生对应的能级跃迁为1D2→3H6±0.3，但认为Tm3+从基态分步吸收四个泵浦光子至1D2能级的可能性不大，因为1D2与1G4之间的能级差与一个红外光子的能量不匹配，差别较大；而是在3H4激发态上吸收一个从1G4激发态跃迁至基态3H6的蓝光子而至态1D2。在本实验中，虽然仅在高泵浦功率下才能观测到此荧光，而且Tm3+从基态直接吸收三个1053nm泵浦光子跃迁至1D2能级也满足能量匹配，但是泵浦源工作于连续方式，最大入纤功率700mW左右，发生三光子吸收的非线性过程的可能性很小，从能量转移来分析，也不排除两个能量相近的离子通过非辐射过程耦合，一个回到基态，把能量转移给另一个，使之跃迁到更高的能级。由于紫外荧光的产生过程和实验中获得的紫外荧光光谱结构都比较复杂，这种上转换过程的详细分析还有待于进一步研究。图3.9伴有肩峰的典型荧光谱从所得的光谱图中发现。蓝光、近红外光在短波侧、红光在长波测出现肩峰，典型光谱如图3.9（a）、（b）、（c）所示。对这种情况，文献[4]中仅仅提及蓝光、近红外光在短波侧有荧光发射的可能性，但未有光谱结果；在其余国内外文献中则未见类似的报道。经过分析，认为可能分别由1D2→3H4、1G4→3H5和1D2→3F4之间的跃迁产生。其中蓝光短波肩峰、红光长波肩峰的强度与泵浦功率的关系如图3.10（a）、（b）所示。双对数坐标中两曲线的斜率分别为3.25和3.09。产生蓝光肩峰和红光肩峰的跃迁上能级均为1D2能级，与产生紫外光的跃迁上能级相同，1D2能级上转换的集居过程还需要更详细的实验研究。图3.10肩峰的荧光强度与泵浦功率的关系3.2.4结论本节研究了掺Tm3+石英光纤中紫外、蓝光、红光、近红外光的频率上转换，测量了荧光发射光谱，分析了其产生的泵浦过程。近红外光的产生属于步进的两光子吸收过程，而蓝光和红光的产生则属于步进的三光子吸收过程。并分析了蓝光短波肩峰和红光长波肩峰的产生。铥钬共掺光纤激光器4.1铥钬共掺包层泵浦石英光纤激光器4.1.1介绍掺钬激光器是一种在医学方面有广泛应用的掺杂离子激光器。由于在大约200μm的细胞组织的渗透深度中，Ho3+的辐射波长为2μm左右，有极好的对人体组织切割和凝血效果。此用途的激光器要求平均输出功率在很小的瓦特之内。该功率水平能用双包层光纤实现。光纤激光器还在将其直接整合成内诊镜的可能性方面进行了研究。等人研究了在铥钬共掺的光纤中，包层泵浦通过光纤的端表面和侧面。在第一个实验里面，包层泵浦的阈值和斜率效率是用几个输出反射镜测量的。而在第二个实验中，用相同的光纤和反射镜比较了芯泵浦、包层泵浦和侧泵浦。4.1.2实验装置用于铥钬共掺的石英光纤激光器所有实验装置示例在图4.1中。嵌入物（a）—μm的纤芯和一个直径为125μm的内部包层。光纤用直径约为250μm的石英涂层取代了正规的丙烯酸涂层。这种涂层的折射指数比玻璃的要低，因此泵浦光由包层控制并逐步被纤芯吸收。因为纤芯比包层小得多，吸收长度与芯泵浦相比大得多。因此Tm3+浓度被选来用于缩短吸收长度，甚至当泵入包层时。Tm3+浓度约为2000ppm/mol。激活激光离子Ho3+的浓度仅为200ppm/mol，用以降低激光发射的反复吸收。（a）芯泵浦（b）包层泵浦（c）侧泵浦图4.1实验装置图当泵入纤芯时，泵浦激光器须解调Tm3+的吸收翼集中在786nm，以泵浦超过其长度的光纤。当泵入包层时，最高输出功率达到在吸收波段中心的泵浦波长。4.1.3反射镜反射率比较第一个实验中的光纤长度是36cm，外反射镜是平接在光纤端面上，用以不同反射镜反射率的比较。这些反射镜是玻璃片上覆盖了一层厚度为170μm的电解质涂层的显微镜。输入反射镜对2μm的反射率为R=99.8%。经研究，输出反射镜的反射率为R=95%，R=60%和R=40%。光纤长度为30cm，R=99%的包层泵浦的测量数据见图4.2，以做比较。氩离子激光器泵浦的最大输出功率约为1.2W、786nm的Ti蓝宝石激光器做为泵浦激光器。该激光器在1/e2是光束直径为1mm的横向单模。焦距为47mm的石英透镜耦合工作，导致在光纤末端有至少50μm的光斑大小。透镜质量并不限制衍射，因此真正的光斑在某种程度上要大些，但仍比内部包层直径125μm要小。图4.2激光器的输出输入曲线图（针对不同反射率的反射镜）光纤需弯曲成Ω形以实现在包层模和吸收纤芯模之间更好地进行模混合。对于短光纤，不能研究更为复杂的弯曲设计。4.1.4结果在泵浦光的吸收和47dB/m激光的重复吸收之间，选择长度为36cm的光纤作为替代。长一些的光纤可吸收尽可能多的泵浦光。光纤长为1.18m时，已观测到2μm的激光振动，但最大输出功率仅有2.1mW和一个非常高的840mW的阈值。在这个长度，8.3%的辐射泵浦光由端表面传导出去。光纤长度减短则输出功率和斜率效率提高，但仍未利用泵浦功率。光纤长为36cm时，占总的20.6%的辐射泵浦光遗留在端表面。包层泵浦的结果在图4.2中。从光纤一端泵浦的最大输出功率为71mW。用反射率为95%和60%的反射镜都可以达到这个功率。针对辐射泵浦功率，用R=60%的反射镜达到17.5%的斜率效率要高于R=95%（斜率为10.7%）的反射镜。反射率为R=40%的斜率是12.9%，表示R=60%是此激光器的最佳选择。明显地，由于维持表面状态的吸收，光纤中的高损耗取决于弱泵浦区的重复吸收。经过测量，耦合效率为74%，传导泵浦功率为辐射泵浦功率的20.6%，R=60%的最大斜率效率为33%（针对吸收泵浦功率）。4.1.5芯泵浦与包层泵浦的比较在第二个实验中，实现了芯、包层和侧泵浦的比较。侧泵浦的主要优点是沿光纤多重泵浦的可能性。许多的激光二极管可用来激发侧泵浦光纤激光器。从光纤正表面泵浦的情况下，这将得到更高的总泵浦能量。在该实验中，所用光纤长度为30cm。为实现侧泵浦，石英涂层的一半可从靠近反射镜M2的光纤末端移动多于1mm将近2cm的长度。如图4.1（c）所示，棱镜放在光纤开口处以达到更好的耦合。泵浦光以接近Brewster角进入棱镜。该棱镜选择与光纤内部包层有相同的折射率1.457。在棱镜与内部光纤包层之间注满具有相同指数的匹配油，以减少耦合损耗。这将实现有效的耦合而无需光纤抛光。为节约实验装置的空间，输出反射镜M2直接套在光纤末端表面。因此实验中输出反射镜不会更换。选择反射镜M2的反射率为R=99%，用以保证可以达到的阈值，即便万一侧泵浦效率低。从第一个实验可以看出，反射率不是最佳的，但仍可得到一个很低的激光阈值。与第一个实验相同，R=99.8%的镜片上有涂层的显微镜用来做反射镜M1的非耦合。如图4.1（c）所示，当通过反射镜M2进行纵向芯泵浦和包层泵浦时，光束由棱镜进入光纤。且一直从反射镜M2测量激光输出。在这三次测量中使用相同的光纤和反射镜，图4.3示出了三次泵浦方案中测量的斜率，结果总结在表4.1中。图4.3芯泵浦、包层泵浦和侧泵浦的比较所有斜率效率都是针对辐射泵浦功率给出的，而非针对吸收泵浦功率。首先，用焦距为8mm的常规20×显微镜物镜使光纤集中泵入芯。这就实现了光纤芯的最佳匹配模。芯泵浦给出了7.0%的最高斜率效率为和最低的阈值。在第二个实验中，光纤是通过用焦距为47mm的透镜泵入包层。这就给出了36倍大的光斑区。曲线结果显示斜率效率为4.0%，阈值为250mW。工作状态的降低是由于光在纤芯中未被吸收，而遗留在光纤末端的表面，以及非常软的石英涂层上的小缺陷导致了泵浦光损耗。表4.1相同光纤泵入芯、泵入包层和从侧面泵入的斜率效率与阈值（所有斜率针对辐射泵浦能给出）实验2：R（M2）=99%阈值（mW）斜率效率（%）芯泵浦1107包层泵浦2504侧泵浦252在第三次测量中的比较，泵浦光是从侧面耦合进入光纤的。所用透镜与纵向包层泵浦实验中的相同。结果是得到252mW的阈值，比从正面泵浦的有些许偏高，斜率效率为3.3%，或者83%的纵向效率。这是不同工作状态横模激发的两种情形中的部分结果。明显地，纵向形式更受偏爱，但不可重复实现。在最后一个实验中，使用809nm、最大输出功率为110mW的单模激光二极管，除了从另一侧同步泵浦光纤入芯之外。在图4.3中，可清晰地看到900mW以上的侧泵浦曲线上的附加斜率。其11.6%的值比单独的芯泵浦要高。这可解释为：更均匀的泵浦分布比从两端泵浦的光纤长，导致重复吸收降低和长于光纤总长的较高放大率。为达到医学应用所需的输出功率范围，必须使用功率大的激光二极管，且激光能进一步的由复式侧泵浦度量。同时，光纤仍需尽可能完善关于掺质浓度、光纤几何学（芯的偏心位置）、涂层物质和吸收损耗之间的关系，以提高效率。4.1.6结语包层泵浦的最大输出功率已达到71mW，斜率效率为17.5%。由于相同的外耦合反射镜，侧泵浦激光器的斜率效率是纵向包层泵浦激光器的82%，是芯泵浦激光器的47%。4.2高效率铥敏化的掺钬CW氟化物光纤激光器4.2.1引言目前，因为钬掺晶体激光器在激光医学方面的有很大的潜力，所以在世界范围内集中于钬掺晶体激光器的研究和技术努力。但是玻璃光纤基质的研究有局限性，尽管光纤型输送系统可提供比晶体基质更低的阈值、更广的调谐范围和更易的集成。过去单一掺杂钬的激光作用并未引起多大注意，因为其无法证明能有效的实现。大部分的困难都归因于缺少商用的可利用的半导体激光器泵浦红外线附近的一个适合的吸收波带。但是近期研究发现，当阈值低到8mW，而斜率效率高到30%，可由在890nm的钬吸收波带直接激发获得。通过铥泵浦钬激光器仍是一个让人喜欢的方案，因为它具有通过交叉驰豫过程提供泵浦量子效率为2的潜力（见图4.4）。R.M.Pcrcival等人报道了高质量铥钬共掺氟化锆光纤激光器的工作情况。该实验中所用光纤含有铥的浓度为4.6mol%，其自身在氟化物光纤技术发展中扮演着重要角色。光纤发展的目的就是找出交叉驰豫过程中效率的最高值，因此要尽可能有效地利用泵浦量子效率。5F15G61G45F25F35S25F43F2,35F53F45I53H55I63H4pump890nm5I7pump820～830nmμmlasertransition3H65I8TmHo图4.4铥钬共掺系统的能级图4.2.2实验为研究激光器的工作情况，需一个简单的法布里—珀罗谐振腔，其输入端有一特殊的有涂层的反射镜。该空腔是从光纤末端将近4%的菲涅耳反射。输入反射镜的规格比2040—2280nm反射率为99.5%的好，且比在820—830nm范围内80—90%之间的高传输区域好。泵浦源是由氩离子泵浦的Ti蓝宝石激光器提供，其能通过3F4吸收波带轻易调谐。尽管该项工作大部分是在820—830nm之间泵浦实现的。4.2.3结果与讨论通过监控3F4簇的荧光寿命，发现交叉驰豫过程的效率为655%和975%，样品浓度分别为2%和4.6%。当泵浦3F4簇时，也对3H4簇荧光寿命进行了监测。在2%和4.6%样品中，有两个非常明显的3H4簇衰变变化特征。起初的10—20μs，荧光衰变在一段时间内比仪器反应快；随后时间内的衰变与钬5I7簇寿命相同，这一现象第一次被Brenier等描述，即是大多数粒子从铥3H4簇到钬5I7簇的有效跃迁，紧随其后的是热能化粒子在两个簇之间的交换。结果就是，荧光衰变率从两个级上由钬5I7簇和铥3H4簇寿命合并决定。从该数据可确定，掺4.6%铥和0.1%钬的光纤可证明激光器工作情况与2.0的泵浦量子效率一致。在波长为790—μmμmμm跃迁辐射支配。当光纤逐渐减短，重复吸收损耗减少，铥辐射变得明显。当光纤长度为0.5m，铥和钬的辐射各自在整个光谱上形成相等的部分。这样，泵浦相对长度大于0.5m、在820—μmμmμmμm跃迁。而此结果与已证明的斜率效率在67%左右的铥钬共掺晶体基质相比较，只能在脉冲手术或液氮温度下使用。□820nm△826nmμm激光的斜率效率特征图尽管结果是好的，但对此的反应并不大，因为从光谱测量中得到的泵浦量子效率只有1.5而非2.0。泵入铥，吸收波长在820—830nm左右导致钬在890nm的辐射，尽管事实上这种跃迁很弱且各自的吸收波带没有重叠。对于晶体基质也有相同的观测，且归因于能量转移的上转换过程。由此一个在铥3F4簇中的活跃离子释放出能量，使钬5I7簇中的活跃离子上转换到5I5簇时。对890nm辐射的观察在某一重要程度上证实了该过程在玻璃基质中也能进行。尽管在工作中有其它上转换过程，从光纤中发出的绿色辉光显示，比该系统中预想的斜率效率要低的根本原因是：从5I7簇的能量转移传递的上转换。4.2.4结论μm跃迁的极高效率的连续波工作状态μm时，输出功率高达250mW，斜率效率为60%。这些结果显示泵浦量子效率为1.5，并暗示光子转换效率为75%。但是在玻璃甚至可能在晶状基质中，已经认识到这些上转换过程的存在，其限制了能达到更好地工作状态的期望。第五章掺铥光纤激光器的研究现状掺铥氟化物光纤激光器掺铥光纤激光器以氟化物光纤的研究居多。Tm3+的能级非常丰富，以实现了若干波长的激光振荡。而且能级较宽，荧光谱相当宽，插入适当的波长选择元件可得到可调谐激光输出。下面按激光振荡波长分类来论述。Tm3+的能级见图1.3。5.1.1～μm（3F4→3H5）美国L.Esterowitz等人最早于1988年实现了室温下脉冲Alexandrite激光器（786nm）泵浦的Tm:ZBLAN光纤激光器，工作波长μm。1989年该小组首次成功的实现了GaAlAs激光二极管泵浦的CWTm:ZBLAN光纤激光器，输出功率1mW，斜率效率10%（针对入纤功率），波长μm。英国B.T.实验室R.M.Percival等人于1991年用790nm钛宝石激光器泵浦～5000ppm掺铥氟化物光纤，在入纤功率210mW下，用三块双折射滤光片实现μm激光调谐。μm（3H4→3H6）1990年英国J.N.Carter等人用宽条激光二极管（795nm）泵浦掺Tm3+740ppm氟化物光纤，实现μm连续运转。光纤芯径40μm，斜率效率%（针对吸收功率）。1992年R.M.Percival等人用790nm钛宝石激光器泵浦掺Tm3+1000ppm、芯径μm的氟化物光纤，实现μm和μm同时振荡，斜率效率分别为37%和20%；在入纤功率183mW且激光μm存在的情况下，用三块双折射滤光片+实现调谐～μm（输出功率>30mW）。μm激光振荡和放大的最好结果。作为放大器，在色心激光器（1640nm）和激光二极管泵浦下，小信号增益分别为dB/mW和5dB/mW。在17～18mW入纤功率下，最大增益dB。作为振荡器，色心激光器泵浦下最小阈值为340μW，斜率效率84%；激光二极管泵浦下，斜率效率82%。μm（3F4→3H4）日本T.Komukai等人于1992年用Ti宝石1064nm激光器泵浦掺Tm3+2000ppm、芯径11μm氟化物光纤，在入纤功率570mW使得到100mWCW激光输出（μm），阈值200mW，斜率效率27%（针对入纤功率），旋转色散棱镜实现调谐20nm；并实现Q开关运行，在入纤功率300mW时，峰值功率70W，脉冲宽度450ns。μm激光放大。小信号增益25dB，饱和输出功率＋10dB，泵浦效率dB/mW，放大器带宽（65nm）。光纤掺杂浓度2000ppm，芯径μm。同年该小组用LD泵浦的Nd:YGA激光器泵浦掺Tm3+2000ppm、芯径11μm氟化物光纤，在入纤功率W时得到1W连续μm激光，阈值175mW，斜率效率29%（针对入纤功率）。通过旋转镀有多层介质膜的窄带滤光片，实现调谐μm。μm激光器和放大器的最新结果。用LD泵浦的μmNd:YAG激光器作泵浦源，对五种不同参数的Tm:ZBLAN光纤进行了研究。激光器输出功率100mW，斜率效率59%；放大器在μm范围内，小信号增益大于10dB，并具有底的噪声特性。μm（3F4→3H6）J.N.Carter等人于1990年报道了780nm钛宝石激光器泵浦的Tm:ZBLANP光纤激光器，在803nm得到输出功率125mW，斜率效率15%（针对入纤功率）。所用光纤芯径6μm，掺杂浓度1000ppm（byweight）。1992年他们首次实现了钛宝石激光器泵浦的被动调Q、主动锁模掺铥氟化物光纤激光器（～810nm）。AlGaAs/GaAs多量子阱非对称FP调制器既作为振幅调制器，又作为可饱和吸收体，得到锁模脉冲6ns，调Q脉冲包络400ns。1994年M.L.Dennis等人用1064nmNd:YAG激光器泵浦掺Tm3+1%（mol）、芯径12μm的ZBLAN光纤，得到W的810nm激光，斜率效率37%（针对入纤功率），并实现调谐803～816nm。1995年美国超快研究中心L.-M.Ya