概述：

2um-5um激光有著自己獨特的應用：該波段覆蓋了幾段大氣窗口，使其可用于激光、大氣通信、激光測距、超高分辨率天文光譜儀標定和光電探測等[1]；波段包含被稱為“分子指紋”的特征譜線，可被用于高速、高分辨率、高光譜靈敏度、高信噪比的光譜測量[2]；水分子在3um附近有很強的吸收峰,使其可用于很多醫(yī)療操作；位于分子共價鍵的吸收譜段，使其可用于分子含量的檢測和分子類型的鑒定，實現(xiàn)分子的成像等。

目前商用的激光光源包括：OPO參量振蕩激光器，超連續(xù)譜光源，級聯(lián)激光器以及光纖激光器等。

對于光纖激光器而言，按著實現(xiàn)方式，可以把光纖分為有源和無源兩個方面，主要包括基于摻雜稀土的激光，如摻Er³⁺、Dy³⁺的ZBLAN光纖激光；基于非線性效應的激光，如拉曼激光、超連續(xù)譜激光；基于特殊結(jié)構(gòu)的空芯光纖，配合充斥不同氣體實現(xiàn)不同波長的激光。近年來隨著光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，圍繞激光技術(shù)的研究火熱起來，相關(guān)實驗和產(chǎn)品報道層出不窮，這里只討論基于增益有源光纖的單波長光纖激光器。

Er:ZBLAN光纖

Er作為稀土元素具有豐富的能級結(jié)構(gòu)，粒子通過基態(tài)吸收在泵浦波長655nm、790nm和980nm處被激發(fā)到較高能級，通過輻射躍遷從⁴I13/2能級躍遷至⁴I15/2能級可以產(chǎn)生1.55um的發(fā)射，由⁴I11/2能級向⁴I13/2能級躍遷產(chǎn)生2.8um的發(fā)射，粒子從⁴F9/2能級向⁴I9/2能級躍遷能夠產(chǎn)生3.5um發(fā)射。目前，高濃度摻雜 Er:ZBLAN光纖獲得2.8um激光是相對主流方法^[4]。

氟化物光纖被用于2-3um光輸出，硫化物光纖被用于3-6.5um光輸出，比6.5um更長波長可以用鹵化物光纖輸出。氟化物光纖主要是以氟化鋁(AlF₃)、ZBLAN(53%ZrF₄-20%BaF₂-4%LaF₃-3%AlF₃-20%NaF) 或氟化銦(InF₃)等為基質(zhì)材料的氟化物多組分玻璃光纖。其中ZBLAN是目前比較常用的光纖，可以實現(xiàn)稀土摻雜，對于其與硅基光纖的熔接工藝也相對比較成熟，商用光纖熔接機即可，InF和AlF光纖可用作光纖器件(比如合束器)和光纖端帽的制作。但是易潮解是氟化物光纖主要的缺點。

2.8um連續(xù)光纖激光

1988年，Brierley報道了第 一臺2.7um Er³⁺摻雜光纖激光器^[5] 。

1999年，Er:ZBLAN光纖激光器的輸出功率實現(xiàn)了瓦級的突破，Jackson等^[6]利用 Er³⁺/ Pr³⁺共摻ZBLAN光纖實現(xiàn)了1.7W的激光輸出。

進入21世紀，隨著光纖制備技術(shù)與光纖激光技術(shù)的發(fā)展，3um波段激光的功率進一步提高。其中日本京都大學、澳大利亞阿德萊德大學、加拿大拉瓦爾大學、國內(nèi)的深圳大學等在實驗室，都報道了非常出色的實驗進展。

2015年，加拿大拉瓦爾大學Fortin等^[7]報道了輸出功率為30.5W、輸出波長為2938nm的摻Er³⁺氟化物光纖激光器。該系統(tǒng)采用了基于纖芯內(nèi)刻寫光纖布拉格光柵，即在ZBLAN光纖和Er:ZBLAN光纖分別刻蝕高反光柵和低反光柵，構(gòu)成10m長的諧振腔，光纖尾端接有AlF3端帽以降低潮解，提高激光器穩(wěn)定性，在980nm泵浦下總激光效率為16%。

2018年，加拿大拉瓦爾大學Aydin等^[8]，在整段Er:ZBLAN光纖內(nèi)完成光柵刻蝕，利用雙泵浦方式連續(xù)光纖激光器在2.8um處，實現(xiàn)了41.6W的激光輸出。這是Er:ZBLAN光纖激光器已知報道的Z 高輸出功率。

2021年，深圳大學郭春雨等^[10] 在國內(nèi)S次報道了功率為20W的全光纖結(jié)構(gòu)的2.8um激光輸出。所用的摻Er³⁺：ZrF4光纖直徑為15um，數(shù)值孔徑NA約為0.12，總長度為6.5m，吸收系數(shù)2-3dB/m@976nm，高反光柵(99%HR-FBG)和低反光柵(10%OC-FBG)直接刻寫在增益光纖上，中心波長2825nm，與Er纖形成諧振腔。

如圖所示▼ 硅基與ZBLAN光纖，以及端帽與無源纖的熔接工藝為報道者團隊自主研發(fā)，制作了包層光濾除器和AlF₃光纖端帽。當泵浦功率140W，輸出功率20.3W@2.8um，光光轉(zhuǎn)換效率14.5%。

2023年，利用鍍膜反射鏡和自制高性能光纖端帽提供諧振腔反饋，結(jié)合高功率泵浦光的高效耦合技術(shù)，將單端泵浦光纖激光器的輸出功率提升到33.8W，并獲得了>30W功率水平下的Z 高激光效率^[21]。

經(jīng)過多年的努力，光纖激光的工作者們，極大優(yōu)化了光纖的處理工藝，目前利用商用的光纖處理設(shè)備，可以得到較低的熔接損耗，被用在模場匹配器、合束器/分束器、輸出端帽等多種器件，從而推出了產(chǎn)品級的全光纖結(jié)構(gòu)光源。

調(diào)Q脈沖光纖激光

2020年，Sojka等^[11]采用30W的975nm激光泵浦芯徑15um，7%摩爾濃度Er:ZBLAN雙包層光纖，在重復頻率10kHz實現(xiàn)光纖激光器在2.8um波長下的聲光調(diào)Q輸出，在 1.1m長Er:ZBLAN光纖實現(xiàn)脈沖能量46uJ的激光輸出，脈沖的峰值功率0. 821 kW，脈寬56ns。2021年，他們采用芯徑35um的Er:ZBLAN多模光纖，脈寬26ns，峰值功率12.7kW，脈沖能量330uJ^[12]。

2021年，Shen等利用電光調(diào)QS次實現(xiàn)了2.8um的脈沖激光輸出。采用芯徑33um摻Er濃度為6%的ZBLAN光纖作為增益介質(zhì)，NA0.12，電光調(diào)制器選擇RTP晶體，脈寬13.1ns脈沖能量205.7uJ，峰值功率15.7kW，這是目前已知Z 高峰值功率 Er:ZBLAN調(diào)Q光纖激光器的報道。

鎖模超快光纖激光

硅基光纖中有摻Tm光纖用于2um激光的輸出，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，隨著光纖和器件技術(shù)的成熟，更高的指標逐一實現(xiàn)。

2018年，Jena大學報道了1000W平均功率，256fs的2um超快激光，利用了大模場面積的摻Tm的光子晶體光纖，50/250-Tm-PM-PCF。這也是目前同類實驗的Z 高指標。

對于2um以上的波段，目前絕大多數(shù)的光纖激光器研究工作采用被動鎖模技術(shù)，主要采用可飽和吸收以及非線性效應兩種形式。前者以具有光學可飽和吸收特性的材料作為鎖模器件，如SESAM，金屬摻雜晶體如 Fe: ZnSe等，后者利用光學非線性效應等方式產(chǎn)生等效可飽和吸收體，如非線性偏振旋轉(zhuǎn)(NPR)、非線性光學環(huán)形鏡(NOLM)等。

2020年，Guo等[14]報道，利用CVD生長WSe2薄膜作為SA并轉(zhuǎn)移至鍍金反射鏡形成 WSe2-SAM，基于此利用980nm激光泵浦6%摩爾濃度Er:ZBLAN光纖，實現(xiàn)脈寬21ps，重頻42. 43MHz，平均功率360mW的鎖模脈沖。

2022年，上海交通大學Qin等[15]利用分子束外延生長技術(shù)制備了InAs/GaSb超晶格SESAM,可靈活調(diào)整可飽和吸收體的響應范圍、飽和能量密度和恢復時間等參數(shù)，實現(xiàn)了3.5um的Er: ZBLAN光纖激光器的穩(wěn)定鎖模輸出，脈寬14.8ps，平均功率149mW，重復頻率36.56MHz。

2019年，上海交通大學Qin等[16]采用Ge棒進行色散管理進一步將鎖模脈寬縮短至215fs,脈沖能量9.3nJ，峰值功率43.3kW。

2020年，上海交通大學Gu等[17]報道了基于NPR技術(shù)實現(xiàn)2.8μm 的Er∶ZBLAN光纖激光器的131fs鎖模輸出，峰值功率22.68kW的孤子脈沖，脈沖能量3nJ。

同年，Huang等[18]利用NPR技術(shù)在980nm下泵浦3.3m長Er: ZBLAN光纖實現(xiàn)脈寬126fs，脈沖能量10nJ的鎖模輸出，Er: ZBLAN放大器和ZBLAN非線性光纖進一步壓縮脈寬至15.9 fs，Z 終脈沖峰值功率500kW。

2022年，Yu等[19]利用2.4m長摻雜7%摩爾濃度的Er:ZBLAN光纖制備脈寬283fs的脈沖種子光源，利用非線性放大技術(shù)，進一步將脈寬壓縮到59fs，獲得的脈沖平均功率高達4.13W，這是迄今為止亞百飛秒鎖模光纖激光器Z 高的平均輸出功率。

總結(jié)

光纖激光器，具有光纖激光緊湊、少維護、穩(wěn)定性高、光束質(zhì)量高等諸多優(yōu)勢，氟化物、硫化物、鹵化物、空心光纖等光纖，從功率、光譜、光纖器件應用等各個方面大大推動了激光的發(fā)展，隨著材料及光纖技術(shù)的不斷成熟，將會有更多高品質(zhì)的光纖激光產(chǎn)品問世，在、科研、工業(yè)制造、醫(yī)療等領(lǐng)域發(fā)揮越來越大的作用。

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