3~4 μm中红外激光新机遇：红光LD泵浦的稀土共掺氟化物光纤

近日，电子科技大学光电科学与工程学院李剑峰教授、罗鸿禹副研究员课题组提出了一种利用红光LD泵浦Er³⁺/Dy³⁺共掺氟化物光纤实现波长大于3 μm中红外激光激射的新方法，不但在3.5 μm波长附近获得了瓦级激光高效输出，同时还实现了3.05~3.7 μm波长宽带调谐。

相关研究成果以“Red-diode-clad-pumped Er³⁺/Dy³⁺ codoped ZrF4 fiber: A promising mid-infrared laser platform”为题发表在Optics Letters上。

3~4 μm中红外波段是一个重要的光谱区间，它不但覆盖了众多气体分子及化学键的吸收峰，同时也是一个重要的大气传输窗口，因此位于该区间的激光在气体监测、材料加工、空间通信等领域具有重要的应用价值。

尽管在该波段目前已存在多种技术手段如：带内级联激光器、光参量振荡器、固体激光器、气体激光器等，但全固态光纤激光器因在光束质量、转化效率、系统集成性及可靠性上优良的综合表现，仍具备极强的竞争力。然而，从实用性角度来讲，该波段在激光激射体系上还难以达到1~2 μm掺Yb³⁺、Er³⁺及Tm³⁺石英光纤激光器的成熟度（即采用商用LD包层泵浦直接实现高效激光输出），从而发挥出光纤激光器的全部优势。

该团队提出采用红光LD泵浦双包层Er³⁺/Dy³⁺共掺氟化物光纤，通过直接激励Er³⁺高能级4F9/2，借助Er³⁺与Dy³⁺间以及内部的能量传递和Dy³⁺的带内吸收过程（图1），不仅可以有效释放Er³⁺长寿命能级4I11/2和4I13/2上的离子，加速离子循环，促进Er³⁺中4F9/2→4I9/2跃迁实现3.5μm附近激光高效激射，同时还可以激活Dy³⁺中6H13/2→6H15/2跃迁大幅拓展辐射带宽。

图1 659 nm红光泵浦的Er³⁺/Dy³⁺共掺氟化物光纤简化能级示意图。ET：能量传递；ETU：能量传递上转换；CR：交叉驰豫；MR：多声子弛豫

在自由运转状态下（F-P腔），采用21%输出耦合可以获得斜效率为8.8%的3.4μm单波带激光输出，最大功率为0.8W ；采用40%输出耦合可以获得斜效率为10.7%的3.3μm和3.5μm双波带激光输出，最大总功率为0.95W，进一步的功率提升仅受限于当前泵浦功率。在波长调谐状态下（Littrow结构光栅），可以获得3.05~3.7μm波长连续调谐激光输出（图2）。

图2 659 nm红光LD泵浦的Er³⁺/Dy³⁺共掺氟化物光纤激光器。（a）实验装置示意图（包含自由运转和波长调谐结构）；（b）自由运转状态下的功率演化和光谱图；（c）波长调谐状态下的功率和光谱演化图

相较于现有的3~4 μm光纤激光器，该团队提出的红光LD泵浦的Er³⁺/Dy³⁺共掺氟化物光纤激光器，不仅具有简单的结构和高的运转效率，同时还可以实现宽带激光波长覆盖，为未来商用3~4 μm激光器小型化和集成化提供了新的机遇，同时该系统超宽的增益带也为中红外宽带信号放大以及少周期超短脉冲产生等提供了机会。