红光激光器

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。

西安光机所自2006年始，在中科院知识创新工程、国家自然基金的支持下，大功率光纤激光器的研究工作取得了快速发展，继2009年在国内首次实现全光纤激光输出功率突破1000W之后， 2010年，推出了第一代400瓦工业级全光纤激光器，该激光器实现了400瓦连续激光输出，得到业界的广泛关注，但第一代400瓦工业级全光纤激光器仅具备连续激光输出模式，且激光输出接口、通讯和控制接口也无法直接与工业应用接轨。 　　为了将该项科研成果快速应用于工业，服务于社会，经过1年多的技术攻关，2011年8月，西安光机所推出了第二代400W工业级光纤激光器，与第一代产品相比，该产品以市场需求为导向，在工作模式、红光导引、系统集成、通讯和控制接口等方面取得了较大的提升，实现了“插电出光”，可以直接应用于工业激光加工。 　　该产品输出功率连续可调，稳定性好，可靠性高，光、机、电、控制高度集成，具有连续和准连续两种工作模式，同时具备红光导引功能，可直接用于智能加工装备，易操作、免维护。 　　随着该项技术的快速发展，西安光机所已逐步具备了高功率光纤激光器的产业化能力，现已孵化出了西安久之光电有限公司，专业致力于高功率光纤激光器的研发与生产，以市场需求为牵引，为客户提供高性能光纤激光器和优质服务。 　　400瓦工业级光纤激光器

“民用半导体激光器件我们已摆脱长期依赖进口的局面。现在,我们已经发明成功,工艺性能稳定,产品投入规模生产阶段。”1月10日,记者在山东浪潮华光公司采访,听着技术专家高兴地介绍着,看到那长长的流水线正“收获成熟的芯片”。如今,我们的企业真正拥有了世界顶尖的核心技术,产品价格大幅度下降,让“等面值人民币”买到“等面值美元”的产品不再是梦想。 　　民用激光显示技术能够完美地再现自然色彩,是继黑白显示、彩色显示、数字显示之后的第四代显示技术。目前,国际上激光显示技术已发展到产业化前期阶段,未来3至5年,将是全球激光显示技术产业化发展的关键时期。为加快推进光电技术研究,打破关键技术的“封锁”,我国把“新一代激光显示技术工程化开发”列为863计划重点项目,其中的“高可靠性、低成本半导体激光器材料与器件工程化开发”课题让山东浪潮华光光电子有限公司所承担。 　　浪潮华光是国内唯一一家拥有从激光器材料生长到器件制作的完整生产线的高新技术企业,自1999年建厂以来,其半导体激光二极管及大功率激光器的产销量持续稳居国内第一。为推进课题进展,浪潮华光组建精英团队,加速科研攻关。公司成立了由总经理、国务院特殊津贴专家郑铁民研究员担任组长的项目小组,调动公司所有资源,完善了科研团队建设,从半导体激光器的材料生长、管芯工艺制作、器件封装等整个制造工艺链均配备了专业人才。组建了以长江学者徐现刚教授为学术带头人的研发团队,有研究员、高级工程师和博士、硕士等80余人。强大的科研团队借助公司已有的省级半导体激光器技术实验室、山东省半导体发光材料与器件工程实验室等科研平台,开展了技术攻关。 　　期间,在徐现刚教授的引领下,技术总监夏伟博士组织浪潮华光的精英团队成员,集思广益,刻苦钻研,成功实现了三大关键技术突破:一是TM偏振808nm半导体激光器外延材料与芯片研制。围绕实现项目要求的特定偏振激光输出,项目组从理论设计激光器的材料结构开始,进行了系统的研究,有效采用了MOCVD技术制备这种特殊材料,加快了科研步伐。目前,该技术世界上只有为数不多的几个大公司掌握。通过5个月的努力,浪潮华光成功掌握了自主生长技术,满足了项目需求。二是635nm激光器外延材料与芯片研制。为了增加红光分量的亮度,激光显示项目在红光波段选择了波长最短的635nm半导体激光器。浪潮华光在650nm半导体激光器方面积累了丰富经验,形成了稳定的650nm半导体激光器产品,占据市场70%的份额。虽然635nm激光器相比650nm红光激光器只有十五纳米的波长差异,但是其带来的技术难题却成几何级数增长。目前,只有日本的几家公司掌握了635nm激光器的制作技术。浪潮华光研发团队经过上千次的试验,最终突破了635nm红光激光器材料的生长技术难点,实现了红光激光器的大功率输出和长期可靠工作。三是模组封装及集成技术。浪潮华光的封装技术人员克服时间紧任务重的困难,与863项目的用户积极配合,实现了高精度多管芯封装技术、新型热沉制作技术、微透镜整形技术等多项自主创新技术,完成了项目要求的模组封装和整形。 　　目前,针对所承担的“863”项目,浪潮华光已成功研制出满足激光显示工程化要求的808nm、635nm高可靠性、低成本半导体激光器件,并已经初步实现了规模化的生产。从目前的科研和生产进度上看,浪潮华光有望提前全面完成项目预定任务,并能实现批量提供民用激光显示用激光光源的目标,将会大大降低激光器的价格,并带动国内激光器应用市场的发展和更加广泛的应用,实现了“替代进口产品、提高我国半导体激光器的地位、实现激光器显示用核心元器件国产化”的梦想,让该公司产品在国际激光显示产业中独占鳌头。