100毫瓦的中红外Ce3+掺杂硫属化合物光纤激光器

《Optical Fiber Technology》：100 mW mid-infrared Ce3+-doped chalcogenide fiber laser

中红外Ce3?掺杂硫属化玻璃光纤激光器实现连续波输出功率102 mW，较之前成果提升一个数量级，激光谱位于5.0-5.2 μm波段，斜效率16%，采用4.15 μm Fe2?:ZnSe激光器泵浦。

　　

瓦西里·科尔塔舍夫（Vasily Koltashev）|安德烈·普希金（Andrei Pushkin）|马克西姆·苏哈诺夫（Maxim Sukhanov）|亚历山大·维尔穆茹霍夫（Aleksander Velmuzhov）|谢尔盖·斯韦尔奇科夫（Sergei Sverchkov）|鲍里斯·加拉甘（Boris Galagan）|鲍里斯·登克尔（Boris Denker）|米哈伊尔·弗罗洛夫（Mikhail Frolov）|费奥多尔·波将金（Fedor Potemkin）|维克托·普洛特尼琴科（Victor Plotnichenko）

俄罗斯科学院普罗霍罗夫普通物理研究所，迪亚诺夫光纤研究中心，瓦维洛夫街38号，119333莫斯科，俄罗斯

摘要

本文介绍了一种掺铈（Ce³⁺）的中红外硫属玻璃纤维激光器。其连续波输出功率达到了100 mW，比以往的水平高出一个数量级。激光光谱在5.0–5.2 μm范围内包含多条谱线。相对于4.15 μm波长的Fe²⁺:ZnSe泵浦激光器，该激光器的斜效率达到了16%。

引言

近年来，硒化物玻璃和纤维中的Ce³⁺离子被证明是高效的中红外相干辐射源。掺铈的硒化物玻璃在脉冲模式下已经展示了出色的中红外激光特性（参见原始论文[1]、[2]、[3]以及综述[4]、[5]、[6]）。该激光器的输出能量超过了40 mJ，并且波长可在4.5–5.6 μm范围内调节。Ce³⁺并非唯一一种在4.5–6.0 μm光谱区间内具有激光效应的镧系离子；Pr³⁺、Nd³⁺、Tb³⁺、Dy³⁺也能够在这一光谱区域产生激光[4]。Ce³⁺相比这些镧系离子的优势在于其较高的受激辐射截面值和简单的能级结构。较高的受激辐射截面使得Ce³⁺激光器对光损耗的敏感性较低。其简单的能级结构类似于Yb³⁺，从而避免了上转换[7]或激发态吸收[8]等寄生现象，而这些现象可能出现在其他上述离子中。然而，Ce³⁺离子的单一吸收带（3.5–5.0 μm）限制了使用廉价且常见的泵浦源（如Fe²⁺激活的固态激光器或量子级联激光器）。

玻璃激光材料相对于晶体的一大优势在于可以制成光纤。光纤配置使得激光器能够实现连续波（CW）工作模式，并保持优异的光束质量。由于现有泵浦源的限制，此前掺铈硫属玻璃光纤激光器的连续波输出功率从未超过7 mW[9]、[10]。

同时，掺杂的硫属光纤能够承受高达5 W的泵浦功率而不会发生热损伤[7]、[11]，这为提高输出功率提供了足够的空间。

在本文中，我们利用瓦特级别的Fe:ZnSe激光器作为泵浦源，旨在提高掺铈硫属光纤激光器的输出功率。

实验样本

实验所用光纤由俄罗斯科学院高纯度物质化学研究所制造。关于玻璃合成技术和光纤拉制过程的详细信息见[12]。

掺杂光纤的芯材采用Ge₂₀Ga₅Sb₁₀Se₆₅玻璃制成，直径为2a = 19 μm；未掺杂的包层采用Ge₁₂As₂₀Sb₅S₆₃玻璃制成，直径为230 μm。

Ce³⁺浓度的选择基于以下考虑...

实验过程

实验装置示意图见图1。

Ce³⁺:光纤激光器的泵浦源是一个基于Fe²⁺:ZnSe单晶有源元件的连续波振荡器，该元件由莫斯科国立罗蒙诺索夫大学研制[14]。该振荡器在4.15 μm波长下可提供超过1.1 W的输出功率。Fe²⁺:ZnSe激光束通过焦距为50 mm的非球面CaF₂透镜L聚焦到硫属光纤芯材上。

总结

我们成功制备了一种在室温下工作的掺铈硫属玻璃光纤激光器，该激光器通过4.15 μm波长的激光连续泵浦。激光光谱在5.0–5.2 μm范围内包含多条谱线。最大输出功率比以往的结果高出一个数量级，达到了102 mW的连续波功率，光束质量因子M²约为1.25。相对于输入光纤的4.15 μm Fe²⁺:ZnSe泵浦激光器功率，激光器的斜效率达到了16%。

作者贡献声明

瓦西里·科尔塔舍夫（Vasily Koltashev）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验研究。安德烈·普希金（Andrei Pushkin）：资源获取、实验研究。马克西姆·苏哈诺夫（Maxim Sukhanov）：撰写、审稿与编辑、资源获取、实验研究。亚历山大·维尔穆茹霍夫（Aleksander Velmuzhov）：资源获取。谢尔盖·斯韦尔奇科夫（Sergei Sverchkov）：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、实验研究。鲍里斯·加拉甘（Boris Galagan）：撰写、审稿与编辑、数据可视化、实验研究。鲍里斯·登克尔（Boris Denker）：撰写、审稿与编辑、项目监督。米哈伊尔·弗罗洛夫（Mikhail Frolov）：撰写、审稿与编辑、资源获取。

资助信息

本研究得到了俄罗斯科学基金会（项目编号22–13-00226П）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。