為什么2µm光纖激光器是一種新趨勢？

考慮到現(xiàn)有的1µm高功率摻鐿(Yb)光纖激光器雖高效，但對人眼可能造成不可逆的傷害；1.5µm光纖激光器相對安全卻低效；2µm摻銩(Tm)和鈥(Ho)的光纖激光器可以做到既安全、又高效，并在以下應(yīng)用中具有顯著優(yōu)勢，成為如今新的趨勢。

•大氣氣體監(jiān)測：量程增加，精度更高

•塑料焊接：熱處理透明塑料時(shí)無需添加粘合劑

•醫(yī)用上：2µm摻銩光纖激光器在泌尿外科手術(shù)中可以提供精確的切割

2μm激光器在國防上的應(yīng)用

特別值得一提的是，2µm光纖激光器在國防應(yīng)用中具有極其重要的意義。

2μm激發(fā)范圍的高能激光發(fā)射可用于定向紅外對抗(DIRCM)領(lǐng)域，包括以高效率和高功率激光束瞄準(zhǔn)地對空導(dǎo)彈光電系統(tǒng)。安裝在飛機(jī)上的光纖激光系統(tǒng)，可以通過紅外激光破壞導(dǎo)彈導(dǎo)引頭，將導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)與紅外激光脈沖相互混淆，可有效阻止對目標(biāo)飛機(jī)的跟蹤。

ISL(法國-德國圣路易研究所，是由法德兩國共同運(yùn)營的機(jī)構(gòu)，服務(wù)于國防和安全領(lǐng)域)和exail(原iXblue)一直致力于開發(fā)2μm光纖激光器，因?yàn)楹笳咴谠擃I(lǐng)域具有豐富的經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品解決方案。ISL的研究重點(diǎn)是“控制激光發(fā)射能量并提高其精度”，其中包括開發(fā)基于二氧化硅摻雜光纖(銩、鈥)等新型激光材料，在2μm–5μm的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生激光。

因?yàn)椴ㄩL為1940nm的紅外光極易被水分子吸收，所以自由空間中應(yīng)用的激光器波長一定要超過2000nm。ISL在2021年使用exail光纖獲得了非常矚目的成果：單諧振腔中使用銩鈥共摻光纖，在連續(xù)模式下2090nm處實(shí)現(xiàn)M2=1.08, 195W的輸出(參考A. Motard and al. Optics Express 2021年)，其最大輸出功率由泵浦功率限制。在與DGA（法國軍備總局）的研究計(jì)劃中，上述研究成果為使用基于銩鈥共摻光纖的激光結(jié)構(gòu)在2μm波段開發(fā)定向能光纖激光器(DEL)打開了新思路。

2023年，exail和ISL發(fā)表了新的研究成果，這次使用的是單振蕩器摻銩光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了2.09μm的高效發(fā)射，達(dá)到193W(參考C. Louot and al. IEEE Photonics)。“這是第一次僅基于摻銩光纖的激光架構(gòu)，顯示出如此高效的激光發(fā)射，為基于銩離子的光纖激光器發(fā)展開辟了道路”，Anne Dhollande補(bǔ)充道。下圖為摻銩光纖激光器高效發(fā)射譜：

高功率2μm光纖光柵

光纖結(jié)構(gòu)中任何微小的瑕疵(尤其是在光纖連接處)都會迅速被激光加熱，并造成光纖損傷，因此必須嚴(yán)格控制FBG制造過程的每個(gè)步驟，以避免出現(xiàn)瑕疵。近年來，光纖光柵得到了相當(dāng)大的改進(jìn)，以適應(yīng)2μm范圍內(nèi)的高功率激光應(yīng)用(見圖)。

隨著功率的升高，熱效應(yīng)越發(fā)明顯。如何保證2μm的FBG穩(wěn)定工作呢？如下圖，一個(gè)未封裝的FBG，在高功率(195W)時(shí)表現(xiàn)出很大的波長飄逸和光譜展寬。

因此，F(xiàn)BG的刻寫工藝優(yōu)化勢在必行，并且需要采取適當(dāng)?shù)纳�熱措施，exail利用在光纖的出色匹配(有源/無源)和散熱封裝等方面的經(jīng)驗(yàn)，為大功率應(yīng)用開發(fā)了一種特定的“HP-High Power”工藝，生產(chǎn)出的FBG在耐熱性上比其他同類產(chǎn)品提高了近十倍。如下圖紅線所示：在HP工藝加持下，F(xiàn)BG在高功率條件下，僅僅出現(xiàn)極小波長飄逸和光譜展寬。

exail摻銩光纖的最新結(jié)果和應(yīng)用案例

1.    exail還為ISL開發(fā)了保偏雙包層IXF-2CF-Tm-O-20-250光纖，實(shí)現(xiàn)了213W@1.94µm的高效率和高功率輸出。

2. 單包層低摻雜摻銩光纖IXF-TDF-5-125-LD，用于<1700nm波段應(yīng)用。

3. 雙包層摻銩25-400光纖，低彎曲半徑IXF-2CF-Tm-O-25-400-SB，下圖為繞盤直徑分別為120mm和250mm的輸出功率。

4.  IXF-2CF-Tm-O-10-130-RAD光纖在1940nm激光腔中的輻射試驗(yàn)。通過對未完全優(yōu)化的摻銩光纖進(jìn)行的初步測試表明，exail摻銩光纖具有可接受的輻照衰減，良好的光漂白性能，通過添加共摻雜劑可進(jìn)一步提升抗輻照性能，適用于宇航應(yīng)用。

exail摻鈥光纖的最新結(jié)果和應(yīng)用案例

exail的單包層摻鈥光纖可以通過摻銩光纖激光器進(jìn)行直接芯層泵浦。8µm芯徑的光纖效率可高達(dá)75%。20µm芯徑的光纖可應(yīng)用于最后一級高功率低增益放大器。

1.    IXF-HDF-8-125：有保偏和非保偏可選，可通過摻銩激光器泵浦1860nm或者1950nm, 如下圖，2米光纖，75%的效率@2100nm (相比市場同類產(chǎn)品57%的效率，2W輸出)。

2.    IXF-HDF-PM-20-250-0.08：低數(shù)值孔徑、單模、低增益、高輸出最后一級放大器。如下圖，摻鈥光纖由基于摻銩光纖的主振蕩器泵浦：一個(gè)全光纖脈沖激光系統(tǒng)(法國Thales)，100KHz重頻，30W平均功率@2090nm。

3.    IXF-3CF-Ho-O-20-250-300-0.08: 三包層設(shè)計(jì)，20µm摻鈥纖芯，由低折射率材料包圍，以保證低數(shù)值孔徑(0.08NA)；250µm八角形二氧化硅包層，最大限度地提高泵浦吸收；在包層和涂覆層之間添加氟摻雜二氧化硅層，有助于減少涂覆層加熱，避免涂覆層對1.9µm泵的吸收。

如下圖，由exail與法國航空航天實(shí)驗(yàn)室合作開發(fā)的一種新型光纖激光器架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了~50%的效率，~100W@2120nm激光輸出，輸出功率由泵浦功率所限。三包層光纖結(jié)構(gòu)，避免了泄漏激光直接接觸涂覆層，降低了光纖失效風(fēng)險(xiǎn)，使激光輸出總功率得以提高。

轉(zhuǎn)自：exail

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