基于级联跃迁的2.8μm低掺铒氟化物光纤激光器数值分析与优化.pdf
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1、基于级联跃迁的 2.8 m 低掺铒氟化物光纤激光器数值分析与优化*夏文新#付士杰#张钧翔张露盛泉罗学文史伟姚建铨(天津大学精密仪器与光电子工程学院,光电信息技术教育部重点实验室,天津300072)(2023年 5月 31 日收到;2023年 8月 21 日收到修改稿)2.8m 和 1.6m 激光级联跃迁的工作方式,可以有效解决低掺铒氟化物光纤中自终止效应导致的 2.8m激光功率提升难题.建立基于低掺铒氟化物光纤 2.8m 和 1.6m 激光级联跃迁的中红外光纤激光器数值模型,系统分析了 2.8m 和 1.6m 激光波长对 2.8m 激光功率和转换效率的影响.计算结果表明,选取 1610nm作为
2、级联激光工作波长,能有效平衡 2.8m 激光下能级4I13/2粒子向基态4I15/2和激发态4I9/2的跃迁过程,实现 2.8m 波段激光输出功率和效率的提升.此外,计算了 1.6m 激光腔反馈对 2.8m 激光功率和效率的影响,结果表明,仅通过光纤端面提供的弱反馈即可实现 1.6m 激光振荡,从而获得高效率 2.8m 激光输出.关键词:中红外激光,光纤激光器,级联激光器,掺铒氟化物光纤PACS:42.55.Wd,42.60.Lh,78.45.+hDOI:10.7498/aps.72.202309031引言2.8m 附近的中红外波段对应着包括水分子在内的多种有机和无机分子的吸收峰,因此该波段的
3、激光光源在光谱分析、生物医疗以及遥感等领域具有广泛的应用13.与光学参量振荡器4、掺铒固体激光器5、量子级联激光器6等中红外激光的产生方法相比,基于稀土离子受激发射的掺铒氟化物光纤激光器具有光束质量优良、散热性良好以及柔性产生和传输等特点,受到广泛关注.掺铒氟化物(ZBLAN)光纤中 2.8m 激光跃迁对应的激光下能级4I13/2的寿命(9.9ms)长于激光上能级4I11/2的寿命(7.9ms),粒子会在激光下能级大量积累,阻碍粒子数反转的形成、抑制 2.8m激光的激射,也即存在“自终止”效应.当氟化物光纤中铒离子掺杂浓度较高时,4I13/2能级上的离子间能量传递过程增强7,能量转移上转换(e
4、nergytransferupconversion,ETU)过程能够有效地消耗激光下能级积累的粒子,从而缓解自终止效应8.因此,目前高功率 2.8m 中红外光纤激光器普遍采用掺杂浓度 67mol%的高掺铒氟化物光纤912,已实现最高 41W 的输出功率11.然而,高掺杂光纤中严重的热负载成为限制激光功率和效率进一步提升的主要障碍;降低掺杂浓度虽然可以起到分散热负载的作用,但是又面临 ETU 过程减弱、激光下能级粒子无法释放导致激光自终止的难题.针对以上问题,研究人员提出 2.8m 和 1.6m激光级联跃迁的技术方案,利用 1.6m 波段激光的级联发射(4I13/24I15/2)加速释放4I13
5、/2能级的*国家自然科学基金(批准号:62375201,62105240,62075159,61975146,62275190)、天津大学自主创新基金(批准号:2023XPD-0020)和山东省重点研发计划(批准号:2020CXGC010104,2021CXGC010202)资助的课题.#同等贡献作者.通信作者.E-mail:通信作者.E-mail:2023中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp:/物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)224205224205-1粒子,缓解自终止效应13.2016 年,Li 等14报道了基于掺杂浓度 1
6、.5mol%的氟化物光纤的 2.8m和 1.6m 级联跃迁激光器,采用高反镀膜腔镜与平切的光纤输出端面构成激光谐振腔,实现了15.2W 的 2.8m 激光输出,相对 976nm 泵浦光的斜率效率达到 26.7%.2017 年,Aydin 等15指出发生级联跃迁时 1.6m 激光的激发态吸收(ex-citedstateabsorption,ESA,4I13/24I9/2)过程对2.8m 激光的发射也具有贡献,在低掺铒(1mol%)氟化物光纤中分别刻写 2.8m 和 1.6m 的光栅,结合光纤端面的镀膜实现了 2.8m 和 1.6m 级联激射的全光纤激光器,将 2.8m 激光的斜率效率提升至 50
7、%,实现了 13W 的激光输出.在理论模型方面,2014 年Li 等16系统分析了谐振腔参数对 2.8m 与 1.6m 激光级联跃迁功率和效率的影响;2022 年 Guo 等17系统分析了 1.6mESA过程对 2.8m 激光功率和效率的影响.但是,前述理论和实验分析均是针对 2.8m 与 1.6m 激光固定波长的研究.1.6m 激光涉及激光受激发射和 ESA 两个过程,二者对激光增益的贡献不同,其速率也均随波长而变化;2.8m 激光的工作波长对激光增益以及重吸收过程也有显著的影响.因此,研究级联跃迁方案中 2.8m 和 1.6m 激光具体工作波长对上述过程的作用,对于优化中红外光纤激光器的功
8、率和效率具有重要意义.本文系统分析了掺铒氟化物光纤级联跃迁激光器中 2.8m和 1.6m 激光波长对 2.8m 激光功率和效率的影响,结果表明,选取 1610nm 级联跃迁波长,能够平衡 2.8m 激光下能级粒子向基态和激发态跃迁的过程,最大程度地提升 2.8m 激光的转换效率.此外,理论计算发现,利用平切光纤端面提供的弱反馈即可实现 1.6m 激光振荡,从而提高粒子循环能力,实现高效的 2.8m 激光输出.2理论模型图 1 为掺铒 ZBLAN 光纤中 2.8m 与 1.6m激光级联跃迁过程的能级示意图.基态4I15/2上的粒子吸收 976nm 泵浦光,跃迁至激光上能级4I11/2(groun
9、dstateabsorption,GSA),随后在4I11/2和4I13/2能级之间发生辐射跃迁,产生 2.8m 激光.由于4I13/2能级寿命长于4I11/2能级的寿命,粒子在4I13/2能级大量积累,发生自终止.在低掺铒 ZBLAN光纤中,ETU1(4I13/2,4I13/24I15/2,4I9/2)系数较低,难以有效地消耗4I13/2能级积累的粒子,而级联跃迁方案通过增加 1.6m 激光跃迁(4I13/24I15/2)过程,能够快速消耗4I13/2上的粒子;同时产生的1.6m 激光可进一步通过 ESA2 过程将4I13/2的粒子激发到更高能级4I9/2,并随后弛豫至激光上能级4I11/2
10、,促进了 2.8m 激光系统的粒子循环,提高2.8m 激光的转换效率.根据能级跃迁过程(图 1),建立如下速率方程,与文献 16 中模型相比,本文模型中增加了 1.6m激发态吸收(ESA2,4I13/24I9/2)过程以及 ETU3(4F9/2,4I11/24S3/2,4I13/2)过程:GSA1ESA1ESA2Laser2.8 mmETU1ETU1ETU2ETU2ETU3ETU3CRCRLaser1.6 mm4F7/22H11/24S3/24F9/24I9/24I11/24I13/24I15/26=5 ms5=530 ms4=177 ms3=8 ms2=7.9 ms1=9.9 ms图1基于掺
11、铒 ZBLAN 光纤的 2.8m 和 1.6m 激光级联跃迁能级示意图Fig.1.EnergyleveldiagramofEr3+-dopedZBLANfiberlasersrelevanttocascadedtransitionsof2.8mand1.6mlasers.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)224205224205-2dN6(z,t)dt=N6(z,t)6+RESA1+RETU2,dN5(z,t)dt=N5(z,t)5+65N6(z,t)6+RETU3 RCR,dN4(z,t)dt=N4(z,t)4+6i=5i4Ni(z,t)i RETU3,d
12、N3(z,t)dt=N3(z,t)3+6i=4i3Ni(z,t)i+RESA2+RETU1+RCR,dN2(z,t)dt=N2(z,t)2+6i=3i2Ni(z,t)i+RGSA1 RESA1 RSE1 2RETU2 RETU3,dN1(z,t)dt=N1(z,t)1+6i=2i1Ni(z,t)i+RSE1 RSE2 RESA2 2RETU1+RETU3+RCR,dN0(z,t)dt=N1(z,t)1+6i=2i0Ni(z,t)i RGSA1+RSE2+RETU1+RETU2 RCR,N=6i=0Ni(z,t).(1)其中,Ni(z,t)为能级 i 上的粒子数,N 为总粒子数,i为能级 i 的
13、辐射寿命,ij表示离子从能级 i 衰减到低能级 j 的分支比例,i和 ij参数均取自文献 17.RGSA1,RESA1和 RESA2分别表示 GSA,ESA1和 ESA2 过程的速率,RETU1,RETU2和 RETU3分别表示 ETU1,ETU2 和 ETU3 过程的速率,RCR表示交叉弛豫(crossrelaxation,CR)过程的速率,其表达式参照文献 17.腔内泵浦光和信号光的功率传输方程如(2)式:dPp(z,t)dz=p(02N0(z,t)+26N2(z,t)pPp(z,t),dPs1(z,t)dz=s1(21N2(z,t)12N1(z,t)s1Ps1(z,t),dPs2(z,t
14、)dz=s2(10N1(z,t)01N0(z,t)+31N3(z,t)13N1(z,t)s2Ps2(z,t),(2)其中,p,s1和 s2分别表示 976nm 泵浦光以及2.8m 和 1.6m 激光在光纤中传输的背景损耗系数.泵浦光功率和所产生的激光功率在光纤端面的边界条件如(3)式:P+p(0)=Pp(0)Rp+P1,launch,Pp(L)=Pp+(L)RpL,P+s1(0)=Ps1(0)Rs1,Ps1(L)=P+s1(L)Rs1L,P+s2(0)=Ps2(0)Rs2,Ps2(L)=P+s2(L)Rs2L,(3)其中,P1,launch表示实际耦合进入增益光纤中的泵浦光功率,R 和 RL分
15、别表示光纤输入和输出端面的反射率,其中下标 p,s1 和 s2 分别代表 976nm泵浦光、2.8m 信号光和 1.6m 信号光.3分析与讨论3.1 单谐振腔下 2.8 m 激光的自终止效应图 2 为基于单谐振腔的 2.8m 中红外光纤激光器结构示意图,泵浦源为 976nm 多模半导体激光器;增益光纤为掺铒 ZBLAN 双包层光纤,掺杂浓度为 1%(摩尔分数),内包层直径 240260m、数值孔径 NA0.46;纤芯直径 16.5m、NA=0.12;激光谐振腔由高反(R99%)的光纤布拉格光栅(FBG)和光纤端面构成;光纤末端采用包层光滤除器(CPS)将剩余泵浦光滤除.物理学报ActaPhys
16、.Sin.Vol.72,No.22(2023)224205224205-3基于单谐振腔的 2.8m 中红外激光系统中不存在4I13/24I15/2的 1.6m 激光跃迁过程以及相应的 ESA2 过程,表 1 列出了计算中所采用各参数取值.图 3(a)为数值计算得到的单谐振腔 2.8m激光功率输出特性.随着泵浦功率的增大,2.8m激光输出功率很快趋于饱和,进一步增大泵浦功率,激光功率发生下降.以 10m 长增益光纤为例,输出功率在泵浦功率为 18W 时达到极大值 1.04W.当光纤长度增大时,激光最大输出功率有所提升,在光纤长度 20m 和 30m 时分别能够获得 1.72W和 1.89W 的最
17、高输出功率.不存在 1.6m 级联激光时 2.8m 中红外光纤激光器的效率较低,斜率效率和光光效率最大分别仅为 13%和 5.8%.一方面自终止效应抑制了 2.8m 激光的发射,另一方面,激光下能级4I13/2上粒子的积累也会导致激光上能级4I11/2上粒子数更多,而4I11/2上的粒子会吸收 976nm 泵浦光向更高能级跃迁(4I11/24F7/2,ESA1),造成上能级粒子数的消耗和泵浦光能量的浪费.与之对比,图 3(b)给出不考虑 ESA1 过程时的计算结果,虽然激光输出功率也随着泵浦功率的增加逐渐饱和,但并未出现下降的趋势.由此可知,自终止效应和 ESA1 过程共同限制了基于低掺铒光纤
18、的单谐振腔 2.8m 激光器的功率和效率.3.2 基于双谐振腔结构的 2.8 m 激光效率优化图 4 为 2.8m 和 1.6m 激光级联跃迁的中红外光纤激光器结构示意图,与图 2 单谐振腔结构相比增加了对 1.6m 激光的反馈,构成实现级联跃迁的双谐振腔系统.图 5 给出级联跃迁的双谐振976 nm LDpump sourceEr:ZBLAN2.8 mmHR FBGCPS2.8 mmlaser图2基于单谐振腔的 2.8m 中红外光纤激光器结构示意图Fig.2.Schematicofmid-infraredfiberlaserwithasingle2.8mlasercavity.表1仿真中使用
19、的参数7,18,19Table1.Parametersusedinthesimulation7,18,19.ParameterValueParameterValuep/nm976Rp0.04s1/nm2800RpL0.0402/(1025m2)2.00W1103/(1024m3s1)0.4026/(1025m2)1.10W2206/(1024m3s1)0.0812/(1025m2)2.50W4251/(1024m3s1)15.021/(1025m2)4.22W5031/(1024m3s1)0.10Rs10.99p/m10.023Rs1L0.04s1/m10.003452.8 mm output
20、 power/W010203040506070809010 m20 m30 m976 nm launched pump power/W(b)01234567010203040506070809000.30.60.91.21.51.82.110 m20 m30 m2.8 mm output power/W976 nm launched pump power/W(a)sa13%图310m/20m/30m 光纤长度下激光输出功率随泵浦功率的变化(a)考虑 ESA1;(b)不考虑 ESA1Fig.3.Calculationresultsof2.8moutputpowerasafunctionof976
21、nmlaunchedpumppowerwith10m/20m/30mfiberlengths:(a)WithESA1;(b)withoutESA1.物理学报ActaPhys.Sin.Vol.72,No.22(2023)224205224205-4腔系统与单谐振腔系统的输出特性对比,计算中相对表 1 增加的各参数取值见表 215,1720.如图 5(a)所示,当存在 1.6m 激光振荡时,1.6m 激光发射和 ESA2 过程都能够有效消耗4I13/2能级的粒子,缓解自终止效应,因此级联跃迁系统中 2.8m 激光输出功率和效率(蓝色方块)与单腔情况(黑色三角)相比得到显著提升.图中红色和绿色离散点
22、为文献 15 中基于级联跃迁结构获得的 2.8m 和 1.6m 激光功率的实验数据,可以看出,理论模拟结果与相关文献报道的实验结果相符,验证了本文理论模型的可靠性.图 5(b)和图 5(c)给出入射泵浦功率 35W 时,976nm 泵浦光与 1.6m 激光功率以及级联跃迁过程所涉及能级的粒子数沿光纤纵向的分布情况.当存在 1.6m激光级联跃迁时,1.6m 激光功率沿光纤长度方向呈现出先上升后下降的趋势(图 5(b)粉色虚线),976 nm LDpump sourceEr:ZBLAN1.6 mmHR FBG 1.6 mmHR FBG 2.8 mmHR FBG CPS2.8 mmlaser图42.
23、8m 和 1.6m 激光级联跃迁的中红外光纤激光器结构Fig.4.Schematicofmid-infraredfiberlaserswithcascaded2.8mand1.6mlasertransitions.Output power/W976 nm absorbed pump power/W(a)0510152025303502468101214162.8 mm power without 1.6 mm feedback2.8 mm power with 1.6 mm feedback1.6 mm power with 1.6 mm feedback2.8 mm power of Ref
24、.151.6 mm power of Ref.15s=47.3%(b)0510152001020304050600123456976 nm power without 1.6 mm feedback976 nm power with 1.6 mm feedback1.6 mm power without 1.6 mm feedback1.6 mm power with 1.6 mm feedback976 nm power/W1.6 mm power/WPosition in fiber/m/(1025 m-3)05101520Position in fiber/m0510152025(c)4
25、I15/2 with 1.6 mm feedback 4I13/2 with 1.6 mm feedback4I15/2 without 1.6 mm feedback4I13/2 without 1.6 mm feedback4I11/2 without 1.6 mm feedback4I11/2 with 1.6 mm feedback图52.8m 激光单谐振腔系统(无 1.6m 腔反馈)与 2.8m 和 1.6m 激光级联跃迁双谐振腔系统(有 1.6m 腔反馈)激光特性对比(a)2.8m 和 1.6m 激光输出功率随泵浦功率的变化;(b)35W 泵浦功率下泵浦光与 1.6m 级联激光沿光
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