一文詳解中紅外光纖及應用

<p> 自從1960年梅曼實現第一束激光以來，激光作為一種特殊的電磁波已經伴隨著人類走過了62個年頭，成為與現代生產生活密不可分的角色。<br /><br /> 不同頻率（波長）的電磁波，由于其特性不同，在不同的領域發揮著重要的作用，比如無線電傳輸，毫米波雷達，醫用X射線等。<br /><br /> 隨著光纖激光技術的成熟與發展，越來越多種類的光源的應用也被人們發掘出來，比如1um波段用于焊接切割等工業制造，紫外波段用于晶圓加工，可見光藍綠波段用于動力電池加工等。<br /><br /> 2um-5um中紅外光纖激光也有自己獨特的應用：該波段覆蓋了幾段大氣窗口，使其可用于激光雷達、大氣通信、激光測距、超高分辨率天文光譜儀標定和國防光電探測等；<br /><br /> 中紅外波段包含被稱為“分子指紋”的特征譜線，可被用于高速、高分辨率、高光譜靈敏度、高信噪比的中紅外光譜測量；<br /><br /> 水分子在3um附近有很強的吸收峰,使其可用于很多醫療操作；<br /><br /> 位于分子共價鍵的吸收譜段，使其可用于分子含量的檢測和分子類型的鑒定，實現分子的成像等。</p> <p> <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8KAEj5BAA4kISEl5Tc737.png" alt="8fb99358-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /></p> <p> 不同波段電磁波的應用</p> <p> <strong><strong>PART</strong>?0<strong>1</strong></strong> <strong><strong><strong>?</strong></strong></strong><strong><strong><strong>中紅外光纖材料</strong></strong></strong> ?<br /><br /> 目前光纖使用的材料主要有硅酸鹽玻璃、氟化物玻璃和硫系玻璃，不同玻璃具有不同的理化參數，成纖之后在色散特性、傳輸損耗特性、非線性特性以及熱特性等方面也有明顯不同。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8KATJ_nAAPec4bmyko883.png" alt="9025add6-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> （a）氟化物光纖? ?<br /><br /> （b）硫化物光纖?<br /><br /> （c）鹵化物光纖<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8KAIUuBAAMT4IXwdZw487.png" alt="90574422-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8OAE_-7AANZJXyG02o492.png" alt="908b58b6-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 中紅外大模場空芯光纖<br /><br /> ? <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8OADMk3AANrtdYwErU694.png" alt="90a06058-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 不同材料光纖的物理參數?<br /><br /> 相對于硅酸鹽，氟化物玻璃材料的最大聲子能量500cm-1左右, 硫系玻璃材料的最大聲子能量為200cm-1, 理論上在中紅外波段可以得到更低的傳輸損耗。 ?<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8OAKtLzAAbGS9KeP3E844.png" alt="90c7f280-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 不同材料光纖的發射波長和傳輸損耗 ?<br /><br /> 氟化物光纖被用于2-3um光輸出，硫化物光纖被用于3-6.5um光輸出，比6.5um更長波長可以用鹵化物光纖輸出。<br /><br /> 氟化物光纖主要是以氟化鋁(AlF3 )、ZBLAN(53%ZrF4-20%BaF2-4%LaF3-3%AlF3-20%NaF)或氟化銦(InF3 ) 等為基質材料的氟化物多組分玻璃光纖。<br /><br /> 其中ZBLAN是目前比較常用的光纖，可以實現稀土摻雜，對于其與硅基光纖的熔接工藝也相對比較成熟，商用光纖熔接機即可，InF和AlF光纖可用作光纖器件（比如合束器）和光纖端帽的制作。<br /><br /> 但是易潮解是氟化物光纖主要的缺點。<br /><br /> 商用的硫化物光纖以As2S3、As2Se3為代表，一般用于光傳輸，可制作成大芯徑或高非線性的光纖跳線，但是受限于摻雜工藝只以無源形式存在。<br /><br /> 鹵化物光纖可傳輸波長更長，但易氧化較脆弱使其也只能以無源跳線形式存在，不同材料光纖各有利弊。 ?<br /><br /> 按著實現中紅外激光的實現方式，可以把中紅外光纖分為有源和無源兩個方面，主要包括基于摻雜稀土的中紅外激光，如摻Er3+、Dy3+的ZBLAN光纖激光；基于非線性效應的中紅外激光，如拉曼激光、超連續譜激光；基于特殊波導結構的空芯光纖，配合充斥不同氣體實現不同波長的中紅外激光。<br /><br /> 隨著光纖激光技術的發展，更多的商用中紅外光纖獲得應用，相應的光纖處理設備及工藝也隨之普及起來。 ? ?<br /><br /><strong>PART 02</strong> <strong>?</strong><strong>?有源光纖</strong><strong>?</strong> ? ?<br /><br /><strong>（1）摻Tm硅基光纖</strong> ? ?</p> <p> 2um光纖激光器，無論是超快還是高功率連續激光，已經非常普遍，組成單諧振腔的光纖光柵、作為MOPA結構的各放大級增益光纖，都有標準的貨架產品。<br /><br /> 同時，2um光源還可以作為產生中紅外超連續譜和OPO參量放大的泵浦源。</p> <p> 2018年，Jena大學利用250fs，80MHz的種子源，通過多級不同芯徑摻Tm光纖（10/125um，TDF；50/250um Tm：PCF）實現功率放大（TDFA），又將脈沖壓縮，實現了平均功率1150W，峰值功率50MHz，脈沖寬度256fs的2um輸出，這也是目前功率最高的2um超短脈沖。</p> <p> <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8OAd3KLAAY6BdDSwd8624.png" alt="91158054-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /></p> <p> 2014年，Liu等利用2um皮秒光纖MOPA系統泵浦ZBLAN光纖，當2um皮秒泵浦功率達到最大值42W時, 超連續譜激光的最大輸出功率為21.8W, 光譜如圖所示, 光譜覆蓋范圍為1.9um-3.8um[4]。</p> <p> <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8OAZddgAAOaFIqMX3M733.png" alt="913214f8-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ?<br /><br /><strong>（2）</strong><strong>摻稀土離子的氟化物光纖</strong> ? ?<br /><br /> 利用Er3+、Dy3+、Ho3+離子摻雜的ZBLAN光纖實現2.8um-3.5um單獨波長輸出。 ?<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAHHslAAKAZBKJyw0943.png" alt="9149efba-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 中紅外稀土摻雜離子能級躍遷圖<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAVOYXAAKi5mRv-n4740.png" alt="916eb340-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> 中紅外稀土摻雜離子氟化物光纖 ?<br /><br /> 2018年加拿大拉瓦爾大學利用Er3+ZrF光纖在2.8um波段實現了41.6W連續光輸出，這是目前中紅外光纖激光輸出的最高功率。<br /><br /> 同年首次在摻Dy3+的氟化物光纖內實現了光纖激光器的一體化設計, 將一對光纖布拉格光柵直接刻寫在摻 Dy3 +的氟化物光纖上實現了諧振腔結構。<br /><br /> 同時, 采用全光纖的摻 Er3 + 光纖激光器作為泵浦源, 實現了全光纖結構3.24um激光輸出, 輸出功率為10 W, 相對2.83um泵浦光的斜率效率為58% ,10 W 輸出功率也是輸出波長3um以上的光纖激光器的最高輸出功率。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAY9spAARyxm5zSSs362.png" alt="91a0982e-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ?<br /><br /> 2021年, 深圳大學郭春雨等在國內首次報道了功率為20W的全光纖結構的2.8um中紅外激光輸出。<br /><br /> 所用的摻Er3+：ZrF4光纖直徑為15um，數值孔徑NA約為0.12，總長度為6.5m，吸收系數2-3dB/m@976nm，高反光柵（99%HR-FBG）和低反光柵（10%OC-FBG）直接刻寫在增益光纖上，中心波長2825nm，與Er纖形成諧振腔。如圖所示，硅基與ZBLAN光纖，以及端帽與無源纖的熔接工藝為報道者團隊自主研發，制作了包層光濾除器和AlF3光纖端帽。<br /><br /> 當泵浦功率140W，輸出功率20.3W@2.8um，光光轉換效率14.5%。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAfSOjAAMWZ1ILbC0390.png" alt="91d6b2c4-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ? <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAVMTvAALzJRo4AXM162.png" alt="91ea79da-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 全光纖2.8um單模激光器系統? ??<br /><br /><strong>PART</strong>?<strong>03</strong> <strong>??</strong><strong>無源光纖</strong><strong>?</strong> ? ?<br /><br /><strong>（1）</strong><strong>中紅外超連續譜</strong> ? ? ?<br /><br /> 帶有一定峰值功率的脈沖光，進入非線性晶體或者光纖時，由于調制不穩定性（MI）、自相為調制（SPM）、交叉相位調制（XPM）、受激拉曼散射（SRS）、四波混頻（FWM）、拉曼孤子自頻移（Raman SSFS）等非線性效應，激光光譜得到展寬形成超連續譜，由于介質的色散特性、 泵浦光( 入射介質的激光) 的脈沖寬度、 泵浦光波長所處的色散區域以及距離零色散波長(ZDW) 的遠近不同, 在超連續譜產生過程中起主導作用的非線性效應也不同。<br /><br /> 一般地以2um或者更長波長的脈沖光，泵浦帶有一定非線性系數的氟化物、硫化物或者碲化物等光纖，實現覆蓋中紅外波段的超連續譜。<br /><br /> 全光纖結構的中紅外超連續譜，比較關鍵的技術之一是硅基光纖與氟化物光纖的非對稱熔接工藝，目前可以通過工業用的特種光纖熔接設備，在優化了熔接參數后實現損耗0.03dB，達到模場匹配的要求。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8SAEG7TAAXCVnuyWjY807.png" alt="92012df6-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> （a）全光纖超連續譜激光結構? (b) 石英與ZBLAN光纖熔接 （c）石英與ZBLAN光纖端面 <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8WAJEvPAAJ5m5N4I-Q390.png" alt="92384840-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ?<br /><br /> 2016年，國防科大利用此熔接技術，以16.3W的皮秒激光泵浦ZBLAN光纖，實現了10.67W的超連續譜輸出。<br /><br /> 2020年課題組設計了ZBLAN光纖參數，實現了更低的石英光纖與氟化物光纖損耗，以及更加平坦的超連續譜1.92um-4.29um，平均功率20.6W，如圖所示。 ?<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8WAd24cAAXmUDCMYN0265.png" alt="925bc162-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ?<br /><br /> 利用非線性ZBLAN光纖實現高功率、高平坦度中紅外超連續譜，對泵浦源的波長、峰值功率以及石英與氟化物光纖的模場匹配提出了更高的要求。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8WAApmoAAN0mXyorww277.png" alt="92aaa818-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> 氟化物光纖產生中紅外超連續譜參數?<br /><br /> 相比于ZBLAN光纖，InF3光纖在更長波段有更高的透過率，因此被用于中紅外超連續譜長波長拓展的選擇，這也與其零色散點波長相關ZDW。<br /><br /> 2020年，國防科大利用1.9um-2.6um超連續譜作為泵浦源，在InF3光纖中獲得1.9um-4.9um，平均功率11.8W的超連續譜輸出，其中3.8um以上波段成分2.18W，占比18.5%。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8WAW7lkAAMpeC7Qntw163.png" alt="9318c410-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8WAEfvfAAPBf228GG8704.png" alt="933c7702-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /><strong>（2）</strong><strong>刻柵</strong> ? ? ?</p> <p> 光纖光柵對于光纖激光器，在諧振腔、濾波、色散啁啾等方面有著非常重要的應用。隨著軟玻璃光纖和刻柵工藝的發展，中紅外光柵的刻寫逐漸成熟。<br /><br /> 由于氟化物光纖不具備光敏性，不能采用傳統的紫外曝光法刻寫，所以飛秒直寫的選擇備受青睞，一般包括相位掩模版法、逐點法、逐線法、逐面法。</p> <p> 2018年，拉瓦爾大學在雙包層摻Er3+:ZBLAN光纖中利用飛秒激光相位掩膜版法刻寫了中心波長3552 nm的光纖光柵對，其中高反光柵和低反光柵的反射率分別為90%和30%。<br /><br /> 2020年，麥考瑞大學在InF3光纖中刻寫了中心波長為4 μm、反射率大于95%的FBG，其刻柵周期為2.07 μm，這一工作對推動4 μm高功率全光纖化激光器具有重要意義。</p> <p> 2022年深圳大學采用飛秒逐線直寫法，裝置如圖所示，利用氟化物光纖制備了窄線寬、高反射率的中紅外光纖光柵，中心波長2964.34nm，3dB帶寬1.24nm，反射率99.27%，并且運用此光柵完成了20W，2.8um光纖激光器。實驗當中使用了14/250um的ZBLAN光纖，光源為513nm，150nJ的飛秒激光器，刻線掃描速度100um/s，刻線長度50um，周期間隔1.994um。如圖為制備后的光纖端面。</p> <p> ? <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8aALitNAASdjachsiE055.png" alt="9408d40a-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ? <img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8aASlkDAARjPTHlfkc014.png" alt="942760be-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /> ? <strong>（3）其他器件</strong>? ?石英光纖與氟化物、硫化物等材料的光纖切割、熔接、拉錐等處理工藝，是全光纖結構中紅外激光的關鍵技術之一，由于熔點、硬度等物理特性的不同，很多對于石英光纖的處理經驗無法直接借鑒，需要用到具有復合功能的特種光纖處理設備，通過多個參數的調節與優化，達到所需要求。經過多年的努力，光纖激光的工作者們，極大優化了中紅外光纖的處理工藝，目前利用商用的特種光纖處理設備，可以得到非常低的熔接損耗，被用在中紅外模場匹配器、合束器/分束器、輸出端帽等多種器件。<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8aAalXUAAPo-5QQncs585.png" alt="9450b644-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> （a）特種光纖處理設備（b）石英與氟化物光纖熔接（c）AlF3光纖端帽<br /><br /><img src="https://file1.elecfans.com//web2/M00/98/2E/wKgaomTnQ8aAVs3FAALoCmyuOW8027.png" alt="95bb2438-67d8-11ed-8abf-dac502259ad0.png" /><br /><br /> （a）氟化物光纖合束器?（b）硫化物光纖合束器? ??（c）鹵化物光纖跳線 ?<br /><br /> 2019年，拉瓦爾大學分別在氟化物光纖的端面上制備了不同材料的光纖端帽，有ZrF4、AlF3、GeO2、SiO2、Er:YAG和Al2O3，當使用20 W@3 μm的激光連續測試100小時，實驗中基于氧化物的光纖端帽都通過了測試，但也存在著長時間工作后端帽輸出面溫度上升的問題。<br /><br /> 為此，科研人員進一步利用磁控濺射法制備一層Si3N4薄膜到光纖端帽上，以Al2O3端帽為例，在封裝了100 nm厚度的Si3N4薄膜后，在同樣的測試條件下連續運轉100小時沒有出現溫度上升的問題。 ? ?<br /><br /><strong>PART</strong>?<strong>0</strong><strong>4</strong> <strong>??</strong><strong>總結</strong><strong>?</strong> ? ?<br /><br /> 氟化物、硫化物、鹵化物、空心光纖等中紅外光纖，從功率、光譜、光纖器件應用等各個方面大大推動了中紅外激光的發展，隨著中紅外材料及光纖技術的不斷成熟，將會有更多高品質的中紅外光纖產品問世，在科研、工業制造、醫療等領域發揮越來越大的作用。?<br /><br /><br /><br /><br /><br /> 審核編輯：劉清</p>