光纖及應(yīng)用
1. 概述及應(yīng)用
自從1960年梅曼實現(xiàn)第一束激光以來，激光作為一種特殊的電磁波已經(jīng)伴隨著人類走過了62個年頭，成為與現(xiàn)代生產(chǎn)生活密不可分的角色。不同頻率（波長）的電磁波，由于其特性不同，在不同的領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，比如無線電傳輸，毫米波，醫(yī)用X射線等。隨著光纖激光技術(shù)的成熟與發(fā)展，越來越多種類的光源的應(yīng)用也被人們發(fā)掘出來，比如1um波段用于焊接切割等工業(yè)制造，紫外波段用于晶圓加工，可見光藍綠波段用于動力電池加工等。2um-5um光纖激光也有自己的應(yīng)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。
不同波段電磁波的應(yīng)用
2. 光纖材料
目前光纖使用的材料主要有硅酸鹽玻璃、氟化物玻璃和硫系玻璃，不同玻璃具有不同的理化參數(shù)，成纖之后在色散特性、傳輸損耗特性、非線性特性以及熱特性等方面也有明顯不同。
氟化物光纖 硫化物光纖 鹵化物光纖
大模場空芯光纖
不同材料光纖的物理參數(shù)[3]
相對于硅酸鹽，氟化物玻璃材料的最大聲子能量500cm-1左右, 硫系玻璃材料的最大聲子能量為200cm-1, 理論上在波段可以得到更低的傳輸損耗。
不同材料光纖的發(fā)射波長和傳輸損耗
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。商用的硫化物光纖以As2S3、As2Se3為代表，一般用于光傳輸，可制作成大芯徑或高非線性的光纖跳線，但是受限于摻雜工藝只以無源形式存在。鹵化物光纖可傳輸波長更長，但易氧化較脆弱使其也只能以無源跳線形式存在，不同材料光纖各有利弊。
按著實現(xiàn)激光的實現(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(yīng)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。隨著光纖激光技術(shù)的發(fā)展，更多的商用光纖獲得應(yīng)用，相應(yīng)的光纖處理設(shè)備及工藝也隨之普及起來。
3. 有源光纖
（1）摻Tm硅基光纖。2um光纖激光器，無論是超快還是高功率連續(xù)激光，已經(jīng)非常普遍，組成單諧振腔的光纖光柵、作為MOPA結(jié)構(gòu)的各放大級增益光纖，都有標準的貨架產(chǎn)品。同時，2um光源還可以作為產(chǎn)生超連續(xù)譜和OPO參量放大的泵浦源。
2018年，Jena大學利用250fs，80MHz的種子源，通過多級不同芯徑摻Tm光纖（10/125um，TDF；50/250um Tm：PCF）實現(xiàn)功率放大（TDFA），又將脈沖壓縮，實現(xiàn)了平均功率1150W，峰值功率50MHz，脈沖寬度256fs的2um輸出，這也是目前功率最高的2um超短脈沖[12]。
2014年，Liu等利用2um皮秒光纖MOPA系統(tǒng)泵浦ZBLAN光纖，當2um皮秒泵浦功率達到最大值42W時, 超連續(xù)譜激光的最大輸出功率為21.8W, 光譜如圖所示, 光譜覆蓋范圍為1.9um-3.8um[4]。
（2）摻稀土離子的氟化物光纖。利用Er3+、Dy3+、Ho3+離子摻雜的ZBLAN光纖實現(xiàn)2.8um-3.5um單獨波長輸出。
稀土摻雜離子能級躍遷圖[5-6]
稀土摻雜離子氟化物光纖
2018年加拿大拉瓦爾大學利用Er3+ZrF光纖在2.8um波段實現(xiàn)了41.6W連續(xù)光輸出[7]，這是目前光纖激光輸出的最高功率。同年在摻Dy3+的氟化物光纖內(nèi)實現(xiàn)了光纖激光器的一體化設(shè)計, 將一對光纖布拉格光柵直接刻寫在摻 Dy3 +的氟化物光纖上實現(xiàn)了諧振腔結(jié)構(gòu)。同時, 采用全光纖的摻 Er3 + 光纖激光器作為泵浦源, 實現(xiàn)了全光纖結(jié)構(gòu)3.24um激光輸出, 輸出功率為10 W, 相對2.83um泵浦光的斜率效率為58% ,10 W 輸出功率也是輸出波長3um以上的光纖激光器的最高輸出功率[8]。
2021年, 深圳大學郭春雨等[9] 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%。
全光纖2.8um單模激光器系統(tǒng)[9]
4. 無源光纖
（1）超連續(xù)譜。帶有一定峰值功率的脈沖光，進入非線性晶體或者光纖時，由于調(diào)制不穩(wěn)定性（MI）、自相為調(diào)制（SPM）、交叉相位調(diào)制（XPM）、受激拉曼散射（SRS）、四波混頻（FWM）、拉曼孤子自頻移（Raman SSFS）等非線性效應(yīng)，激光光譜得到展寬形成超連續(xù)譜，由于介質(zhì)的色散特性、 泵浦光( 入射介質(zhì)的激光) 的脈沖寬度、 泵浦光波長所處的色散區(qū)域以及距離零色散波長(ZDW) 的遠近不同, 在超連續(xù)譜產(chǎn)生過程中起主導作用的非線性效應(yīng)也不同。一般地以2um或者更長波長的脈沖光，泵浦帶有一定非線性系數(shù)的氟化物、硫化物或者碲化物等光纖，實現(xiàn)覆蓋波段的超連續(xù)譜。
全光纖結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜，比較關(guān)鍵的技術(shù)之一是硅基光纖與氟化物光纖的非對稱熔接工藝，目前可以通過工業(yè)用的光纖熔接設(shè)備，在優(yōu)化了熔接參數(shù)后實現(xiàn)損耗0.03dB，達到模場匹配的要求。
（a）全光纖超連續(xù)譜激光結(jié)構(gòu) (b) 石英與ZBLAN光纖熔接 （c）石英與ZBLAN光纖端面
2016年，某科大利用此熔接技術(shù)，以16.3W的皮秒激光泵浦ZBLAN光纖，實現(xiàn)了10.67W的超連續(xù)譜輸出[10]。2020年課題組設(shè)計了ZBLAN光纖參數(shù)，實現(xiàn)了更低的石英光纖與氟化物光纖損耗，以及更加平坦的超連續(xù)譜1.92um-4.29um，平均功率20.6W[11]，如圖所示。
利用非線性ZBLAN光纖實現(xiàn)高功率、高平坦度超連續(xù)譜，對泵浦源的波長、峰值功率以及石英與氟化物光纖的模場匹配提出了更高的要求。
氟化物光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜參數(shù)[14]
相比于ZBLAN光纖，InF3光纖在更長波段有更高的透過率，因此被用于超連續(xù)譜長波長拓展的選擇，這也與其零色散點波長相關(guān)ZDW。2020年，某科大利用1.9um-2.6um超連續(xù)譜作為泵浦源，在InF3光纖中獲得1.9um-4.9um，平均功率11.8W的超連續(xù)譜輸出，其中3.8um以上波段成分2.18W，占比18.5%[13-14]。
（2）刻柵。光纖光柵對于光纖激光器，在諧振腔、濾波、色散啁啾等方面有著非常重要的應(yīng)用。隨著軟玻璃光纖和刻柵工藝的發(fā)展，光柵的刻寫逐漸成熟。由于氟化物光纖不具備光敏性，不能采用傳統(tǒng)的紫外曝光法刻寫，所以飛秒直寫的選擇備受青睞，一般包括相位掩模版法、逐點法、逐線法、逐面法。
2018年，拉瓦爾大學在雙包層摻Er3+:ZBLAN光纖中利用飛秒激光相位掩膜版法刻寫了中心波長3552 nm的光纖光柵對[7]，其中高反光柵和低反光柵的反射率分別為90%和30%。2020年，麥考瑞大學在InF3光纖中刻寫了中心波長為4 μm、反射率大于95%的FBG，其刻柵周期為2.07 μm，這一工作對推動4 μm高功率全光纖化激光器具有重要意義[8,9]。
2022年深圳大學采用飛秒逐線直寫法，裝置如圖所示，利用氟化物光纖制備了窄線寬、高反射率的光纖光柵，中心波長2964.34nm，3dB帶寬1.24nm，反射率99.27%，并且運用此光柵完成了20W，2.8um光纖激光器。實驗當中使用了14/250um的ZBLAN光纖，光源為513nm，150nJ的飛秒激光器，刻線掃描速度100um/s，刻線長度50um，周期間隔1.994um。如圖為制備后的光纖端面[15]。
（3）其他器件
石英光纖與氟化物、硫化物等材料的光纖切割、熔接、拉錐等處理工藝，是全光纖結(jié)構(gòu)激光的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于熔點、硬度等物理特性的不同，很多對于石英光纖的處理經(jīng)驗無法直接借鑒，需要用到具有復合功能的光纖處理設(shè)備，通過多個參數(shù)的調(diào)節(jié)與優(yōu)化，達到所需要求。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，可以得到非常低的熔接損耗，被用在模場匹配器、合束器/分束器、輸出端帽等多種器件。
光纖處理設(shè)備 石英與氟化物光纖熔接 AlF3光纖端帽
氟化物光纖合束器 硫化物光纖合束器 鹵化物光纖跳線
2019年，拉瓦爾大學分別在氟化物光纖的端面上制備了不同材料的光纖端帽，有ZrF4、AlF3、GeO2、SiO2、Er:YAG和Al2O3，當使用20 W@3 μm的激光連續(xù)測試100小時，實驗中基于氧化物的光纖端帽都通過了測試，但也存在著長時間工作后端帽輸出面溫度上升的問題[15]。為此，科研人員進一步利用磁控濺射法制備一層Si3N4薄膜到光纖端帽上，以Al2O3端帽為例，在封裝了100 nm厚度的Si3N4薄膜后，在同樣的測試條件下連續(xù)運轉(zhuǎn)100小時沒有出現(xiàn)溫度上升的問題
5. 總結(jié)
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(yīng)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。
參考文獻
1. Hao Q, Zhu G S, Yang S, et al. Mid-infrared transmitter and receiver modules for free-space. optical communication [J]. Applied Optics, 2017, 56(8), 2260-2264.
2. Ren X Y, Dai H Li, D T, et al. Mid-infrared electro-ptic dual-comb spectroscopy with feedforward frequency stepping [J]. Optics Letters, 2020, 45(3), 776-779.
3. Tao G M, Ebendorff-Heidepriem H, Stolyarov A M, et al. Infrared fibers [J] Advances in Optics and Photonics. 2015, 7 (2), 379-458.
4. Liu K, Liu J, Shi H X, et al. High power mid-infrared super-continuum generation in a single-mode ZBLAN fiber with up to 21.8 W average output power [J] Optics Express. 2014 22 (20) 24384-24391.
5. Jackson S D，Jain R K. Fiber-based sources of coherent MIR radiation key advances and future prospects invited [J] Optics Express, 2020 28 (21) 30964-31019
6. Cui Yulong, Zhou Zhiyue, et al. Progress and Prospect of Mid-Infrared Fiber Laser Technology. Acta Optica Sinica. 2022, 45 (9), 090000-1
7. Aydin Y O, Fortin V, Vallée R, et al. Towards power scaling of 2.8um fiber lasers [J] Optics
Letters 2018, 43(18), 4542-4545.
8. Fortin V Jobin F Larose M et al 10-W-level monolithic dysprosium-doped fiber laser at 3 24 um [J] Optics Letters, 2019, 44 (3), 491-494.
9. 郭春雨, 董繁龍, 沈鵬生等, 20W2.8um全光纖激光器研究 [J]. 中國激光 2021, 48 (14), 1416001
10. Yin K, Zhang B, Yao J, et al. Highly stable monolithic single-mode mid-infrared super-continuum source based on low-loss fusion spliced silica and fluoride fibers [J] Optics Letters. 2016 41 (5), 946-949.
11. Yang L Y, Zhang B, He X, et al. 20.6W mid-infrared super-continuum generation in ZBLAN fiber with spectrum of 1.9um-4.3um [J] Journal of Lightwave Technology 2020 38 (18) 5122-5127.
12. C. Gaida, M. Gebhardt, T. Heuermann, F. Stutzki, C. Jauregui, and J. Limpert, "Ultrafast thulium fiber laser system emitting more than 1??kW of average power," Opt. Lett. 43, 5853-5856 (2018)
13. Yang L, Zhang B, He X, et al. High-power mid-infrared super-continuum generation in a fluoroindate fiber with over 2 W power beyond 3.8um [J]. Optics Express 2020, 28 (10) 14973-14979.
14. 楊林永，張斌，侯靜。高功率3~5微米波段超連續(xù)譜光纖激光研究進展。中國激光，2022，49（1），0101001-1.
15. 熊賢偉，陳勝平等。飛秒激光直寫高反射率光纖布拉格光柵，中國激光，2022，49（1），0101014-1.
16. Y. O. Aydin, F. Maes, V. Fortin, S. T. Bah, R. Vallée, and M. Bernier, "Endcapping of high-power 3 µm fiber lasers,"Opt. Express, 2018, 27(15), 20659-20659.
