蓝光光纤激光器最新发展戴世勋，张军杰，徐时清，汪国年，杨建虎，姜中宏 中国科学院上海光学精密机械研究所摘要:近年来，蓝光光纤激光器作为一种新型的蓝光光源发展非常迅速。本文首先简单介绍了其工作原理，然后综述了其发展历程、性能及应用情况。 cCiDe`T\F
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关键词:蓝光，光纤激光器，上转换 %F1 50$(D
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一、 前言 ~FAk4z=Ed
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蓝光波段激光在高密度数据存储、海底通信、大屏幕显示 (需要蓝绿光构造全色显示)、检测、生命科学、激光医疗等领域有着广泛的应用价值。目前商业化的固体激光器激光波长主要在近红外和红外波段。在固体激光器中欲获得蓝色激光输出，主要有以下三种方法： |AExaO"jk
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（1）利用宽禁带半导体材料直接制作蓝光波段的半导体激光器； X^&--@l}T!
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（2）利用非线性频率变换技术对固体激光进行倍频； ,\+N}F^
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（3）利用上转换技术在掺稀土的晶体、玻璃或光纤中实现蓝激光输出。对于可见波段的半导体激光二极管(LD)，蓝光LD的研制需要昂贵的设备和衬底材料，同时LD的光束质量不尽人意，在许多应用领域受到了限制。由LD泵浦的倍频固体激光器，需要非线性晶体材料进行频率转换，虽然光束质量很好，输出功率也很高，但系统较复杂。近年来，人们利用发光学中的频率上转换机制，大力发展具有蓝绿光输出上转换发光材料，所采用的泵浦源一般为近红外高功率半导体激光器。另外，与稀土掺杂的玻璃和晶体相比，光纤具有输出波长多、可调谐范围宽等优点。利用上转换光纤制作的光纤激光器还具有结构简单、效率高、成本低的优点。近两年来，国外对蓝光上转换光纤激光器研究很活跃，并且其商业化进程也相当迅速。 s."N7F
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二、工作原理蓝光光纤激光器是利用稀土离子上转换的发光机理，即采用波长较长的激发光照射掺杂的稀土离子的样品时，发射出波长小于激发光波长的光。稀土离子的上转换发光机制一般可以分为激发态吸收、能量转移和光子雪崩三种过程，具体情况可以参见文献[1]。蓝光上转换光纤的输出波长一般在450～490nm之间，目前能获得蓝光输出稀土离子主要有Tm3+,Pr3+两种，但大多数情况下，为了提高泵浦吸收效率和上转换发光效率，往往采用将Tm3＋或者Pr3+离子与Yb3+离子共掺的方式，通过Yb3+离子的敏化作用，利用多声子吸收的原理获得高效的上转换发光效应，Tm3＋/Yb3+共掺和Pr3+/Yb3+共掺这两种方式的上转换光纤激光目前报道的最多。 UnVa`@P^:G
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三、研究历程频率上转换发光现象最早是在石英介质中发现的，但由于其上转换发光效率低下，且在低温下工作而未引起研究人员的注意。首次获得上转换激光输出是在1971年，当时是由Johnson和Guggenheim[2]在低温下采用氙灯泵浦Ho3＋/Yb3+共掺和Er3+/Yb3+的共掺的BaY2F8晶体分别获得了551nm和670nm上转换激光输出。八十年代末九十年代初期，当时因为发展长波段通讯曾努力开发氟化物玻璃光纤，虽然长波通讯并未成功，稀土掺杂的ZBLAN光纤作上转换增益介质，却得到很多有意义的上转换激光结果。ZBLAN光纤中掺杂的稀土离子主要有Pr3+、Er3+、Tm3+、Ho3+等，其中掺Pr3+或者Pr3+/Yb3+共掺ZBLAN光纤的上转换激光输出在当时报道最多，这是因为Pr3+离子在上转换泵浦机理下可以产生蓝、绿、橙黄、红的多种波段的可见光。1989年Allain等[3]报道了在77K低温下采用647nm和676nm泵浦Tm3+：ZBLAN光纤中获得455和480nm上转换激光输出，这是首次利用上转换原理在氟化物光纤中获得了可见波段的激光输出。从此以后室温下的上转换光纤激光输出报道相继增多，并且光纤的基质材料研究多集中在氟化物玻璃的ZBLAN系统上。氟化物玻璃体系之所以成为人们青睐的上转换发光基质材料，是因为具有较低的声子能量，低的声子能量能降低玻璃在泵浦过程中无辐射驰豫的几率，提高稀土离子中间亚稳态能级的荧光寿命，从而有效提高上转换发光的效率。但氟化物玻璃较差的化学稳定性和较低的机械强度为其实际应用带来了一定困难。第一次蓝光上转换光纤激光输出报道是在1991年，R.G.Smart等人[4]用两台钛宝石激光器同时泵浦Pr3+:ZALAN光纤，在491nm得到了1mW的激光器输出。研究者发现在单掺杂Pr3+离子的情况下，蓝光输出功率往往不高。为了提高上转换发光效率，90年代中期以后，研究者在掺稀土离子（主要是以Pr3+和Tm3+为主）的同时共掺Yb3+作为敏化剂，这样有效地提高了对泵浦光的吸收效率，而且Yb3+离子较宽的吸收带有利于对泵浦源有较大的选择余地。表1给出了90年代期间蓝光光纤激光器的激光输出情况[4-11]。其中，1997年德国Hamburg大学Zellmer等人在Pr3+/Yb3+：ZBLAN光纤中获得了375mW的480nm激光输出，这是迄今报道的最高功率的蓝光光纤激光输出。九十年代末，包层泵浦技术的发展为上转换光纤激光器的研究提供了新的契机。通过包层泵浦技术可以将泵浦光入纤的耦合效率，从一般的30～50％提高到80％以上，耦合效率的提高增大了上转换蓝绿光的输出功率。目前包层泵浦上转换光纤激光器的研究工作已成为国际上的最新研究热点，它在常规光纤激光器研究工作的基础上，利用频率上转换技术大大扩展了激光器的频率范围，可获得近红外光、可见光乃至更短波长的激光输出。尤其是频率上转换技术目前正应用到极缺蓝和绿激光波段。2002年 Zellmer等人[13]用850nm的LD泵浦包层Pr3+/Yb3+:ZBLAN光纤，获得了2.06W的635nm红光输出，斜率效率为45%，光束质量M2<10,另外，在520nm绿光波段也获得了340mW激光输出。近两年来国外许多科研院所纷纷加大了对应用于蓝光波段的上转换光纤的研究力度。上转换光纤激光器研究领域目前处于领先地位的是德国，其中德国以Laser Zentrum Hannover研究所为主要代表单位。除此之外，国外一些商业机构也对蓝绿上转换玻璃光纤激光器投入了极大的热情，如法国的Alcatel公司、英国的电信公司、美国SDL公司、和美国加州JDS Uniphase公司等。国内部分高等院校和科研机构（如上海光机所、长春光机所、南开大学、北京师范大学等）曾对块状玻璃中上转换发光机理作了不少研究，但未见对上转换双包层玻璃光纤的报道。国内目前还没有上转换光纤激光器产品问世。三、产业界发展情况尽管蓝光光纤激光器研究目前还处于不断的研究发展中，但其实用化已初见倪端，商品化步伐也逐步加快。2003年初德国Linos公司报道了世界上第一台商用上转换蓝光光纤激光器（型号为Visible Fiber Lasers），其参数可以参见表2。据作者不完全统计，随后的一年时间里至少已相继有5家厂家蓝光上转换光纤激光器产品问世，主要以德国和美国企业为主。表2归纳了这些蓝光光纤激光器的性能参数及生产厂家（为了和倍频的蓝光晶体激光器比较，表2中还列出了美国Blue Sky公司蓝光晶体激光器CHROMALASE 488TM的参数特性），供读者参考。目前商品化的蓝光光纤激光器的输出功率一般在5~10mW左右，光束质量参数M2数值大小一般在1.2以下，同时激光器的体积小，噪声低，功率消耗低，工作寿命长，制造成本低。蓝光晶体倍频激光器输出功率普遍较光纤激光器高（一般在10～25mW之间），光束质量方面两者相当。四、用途及前景展望上转换蓝光激光器的目前主要面临着基于GaN半导体材料的蓝光发光二极管LED和LD泵浦的倍频晶体激光器的竞争。蓝光发光二极管(LED)是以第三代半导体氮化镓(GaN)为代表的蓝色发光二极管。国内外都对该领域投入了大量的研究，美国和日本现已掌握生产纯蓝和纯绿光的氮化镓基(GaN)材料的生长工艺。GaN材料具有许多硅基半导体材料所不具备的优异性能，包括能够满足大功率、高温高频和高速半导体器件的工作要求，其中最重要的物理特点是具有更宽的禁带，可以发射波长比红光更短的蓝光。与红色激光和绿色激光不同，蓝色激光存在难以在常温下发出高功率光的缺陷。氮化镓基蓝光LED的出现使全色显示成为可能。长期以来各国开发出的蓝色激光的功率都偏低，尚不能成为激光显示器的实用光源。近期韩国科学技术院和LG电子公司的科技人员经过3年的联合攻关，终于开发成功波长为456nm的蓝色激光。这种激光具备了制造蓝色激光显示器的基本特性，功率为1.7瓦，比2002年在德国汉堡面世的0.84瓦级的世界最高功率蓝色激光高出一倍多。据悉，韩国LG电子公司目前正着手实现1.7瓦级蓝色激光技术商品化，并已试制出激光电视机样机。LD泵浦的倍频晶体激光器，其方案多是利用LD泵浦Nd:YAG，通过镀膜手段抑制1064nm和1319nm起振，从而获得Nd3+ 的946nm跃迁的激光谱线，再用KNbO3晶体进行腔内倍频，最终获得波长为473nm的蓝色激光输出。国内在这方面与国外水平相当，中科院物理所近期得研制成功我国首台LD泵浦全固态瓦级连续蓝光(473nm)激光器，获得了激光器连续蓝光(473nm)激光单边输出超过1W的实验结果，成为继德国和美国之后第三个公开报导研制成功LD泵浦全固态瓦级连续蓝光激光器的国家。由于上转换蓝光光纤激光器所采用的增益光纤一般为氟化物玻璃基质，在高功率红外泵浦光作用下，往往会在光纤内部产生光致变色（photochromic）破坏，造成光纤内部损耗逐步加大，在这种情况下很难获得高功率激光输出。这样导致上转换蓝光光纤激光器在需要大功率的蓝光应用领域前景受阻。譬如，在激光大屏幕应用方面，一般为实现高质量的激光大屏幕显示，红、蓝、绿三色激光光源的功率一般要求在1W以上，蓝光激光器目前最高的实验室记录也不超过400mW，远远不能达到要求。当然我们也要认识到，LD泵浦的倍频固体激光器，需要非线性晶体材料进行频率转换，虽然光束质量很好，输出功率也很高，但系统较复杂，造价高。而同时蓝光二极管的研制更需要昂贵的设备和衬底材料，其光束质量有时也不尽人意，目前尽管有较大进展，但往往这些核心技术牢牢被控制在少数国外跨国大公司手中。尽管目前商品化的蓝光光纤激光器输出功率较低，但它效率高、噪音低、光束质量好、寿命长、可$&*性强以及体积小等诸多优点使其在其它不需要高功率领域也得到广泛的应用。目前上转换蓝光光纤激光器的应用领域主要包括以下几个方面： R9- mq; u+
（1）生物及生命科学分析； '?I3&lYz{
（2）共焦显微技术； }vP (SF 6
（3）激光诱导荧光； . P5 ' \
（4）毛细管电泳； hd/ '>]
（5）半导体检测； \O~/^ Y3U!
（6）成像与放映；以生物及生命科学分析应用为例，近些年来，国际上掀起了人类基因的研究热潮。在基因工程的研究过程中，研究人员大量地需要一种快捷方便、成本低廉的蓝光激光器DNA结构排序和成像。而先前在此领域通常采用氩离子激光器，但其供电系统体积十分庞大，使用起来很不方便，并且氩离子激光器一般工作寿命为6000小时左右，某项DNA排序工作任务如果按照一天7小时计算，12个月后就要更换一台氩离子激光器，而蓝光光纤激光器一般工作寿命都为10000小时以上，价格也相对低廉。因此，蓝光光纤激光器目前在国外大型的DNA基因研究中心也逐步开始被广泛采纳和接收。为避免氟化物玻璃光纤较差的化学稳定性和较低的机械强度为其实际应用方面带来的困难，近年来国外的一些研究机构开始发掘新的玻璃系统，以期获得与氟化物材料中相似的上转换发光效率，而化学稳定性和机械性能更为优越。我们相信随着材料科学的日新月异发展，蓝光光纤激光器的研究必将进一步深入展开，其综合指标尤其在在输出功率方面必然会进一步提高，其应用前景也将更加广阔。 6,1oLv U
光纤激光器领域的产品趋势 x3 ( _fS
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紧凑、高效、风冷使得光纤激光器取代Nd:YAG激光器在工业上的应用，并且在电信方面还存在着新的用途。 （by Neil Savage） 使用光纤作为谐振腔的激光器进入了工业领域，开始替换更大，更笨重的装置。 “它是很有趣的技术，是那些真正可能在激光行业产生分裂的技术，” _'y`hKeI[
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在典型的光纤激光器里，单模光纤的纤芯中掺入了铒或铒-镱。一组激光二级管，通常排成树杈状作为泵浦进入光纤，通过光纤发出相应波长的激光。 许多开发出来用于工业的光纤激光器是基于双包层泵浦技术的，它是将泵浦光的能量泵浦进内包层(本身通过包裹在内包层外的外包层传输)然后传递到纤芯的。 “这样设计的优势在于”Resonance Photonics的CEO Paul Rivett (Markham, Ontario, 加拿大)说，“它能使更多的能量进入光纤”。 Resonance Photonics本身不制造光纤激光器，但是通过设计能量聚集器来增加激光器的输出功率。“我们的顾客要求原始泵浦功率达到100W左右”他说，这个他估计转换后的输出功率可以达到50W左右。 -e"kJd&V
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当今市场上大多数光纤激光器的输出功率在1 W到25 W之间；然而更高的输出应该是可行的。主要的应用范围是在材料加工，特别是打标。“大约60% JDS Uniphase (San Jose,CA)生产的没有通讯端口的工业光纤激光器用于打标领域”光纤激光器生产线经理Ruediger Hack说。从印刷到焊接“双包层光纤激光器技术最早是Polaroid Corp. (Cambridge, MA)在1992年开发，主要用于印刷方面”Hack说。SDL在1998年从Polaroid购买这个技术，当JDS Uniphase收购SDL时继承这个技术。 8yOhKEPX
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Hack说光纤激光器被广泛应用于苯胺印刷等领域，在那里激光蚀刻着打印介质的表层。和功率只有0.5W的二极管激光器相比，光纤激光器可以达到25 W。更高的功率意味着更多的生产量和更大的利润。为了用于打标，光纤激光器比当前普遍使用在这个领域的Nd:YAG激光器更加紧凑。它也不需要像YAG那样复杂的光学系统而且是用空气冷却的。“当我们谈论材料加工的时候，人们选择光纤激光器的理由是因为紧凑，低能量消耗和容易整合”Hack说。Steele还补充到这种激光器的光能转换效率非常高。 !% (kMN
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光纤激光器也被用于微焊接、微切割和微弯曲等加工，这些要求随着便携式电子产品比如手记和磁盘驱动器等的增长而递增。“另一方面”Hack说，“由于光纤激光器不能使用Q开关，所以还不能应用于雕刻金属和塑胶等方面。不过它们是可以锁模的。”
