中国科学院上海光学精密机械研究所科研四部-特种玻璃与光纤研究中心胡丽丽研究员团队与成都信息工程大学合作，提出了一种直接配位工程方法将卤素引入石英玻璃中Nd³⁺的最近邻配位，主动地增强了Nd³⁺的~ 900 nm发射强度。引入碘元素的掺Nd³⁺石英玻璃显示出在掺Nd³⁺的材料中很少观察到的荧光反转现象，即其~ 900 nm发射强度超过了通常更强的~ 1060 nm发射强度。使用该石英玻璃为纤芯的双包层光纤，在全光纤MOPA结构中实现了比当前记录高50倍的功率(113.5 W)。该工作为~ 900 nm高功率光纤激光器的开发和应用提供了新思路，同时为调节稀土掺杂材料的光谱性质提供了一条新的途径。相关成果以“High-power lasing at ∼900 nm in Nd³⁺-doped fiber:a direct coordination engineering approach to enhance fluorescence”为题发表于Optica，并被选为封面文章，入选2023中国光学十大进展。

　　胡丽丽研究员团队以“中国光学十大进展”入选成果为基础，受邀在《激光与光电子学进展》“中国光学十大进展专栏”发表 “900 nm波段掺钕激光光纤”的综述文章。

　　

　　封面解读

　　封面构建了光纤中激光的传输及放大模型，以钕离子最近邻配位原子及其发光特性调控为突出重点，体现了直接近邻配位工程的光谱调控作用。其中机械臂抓取原子暗示操作可控性，光线颜色不同代表光波长不同，网络结构代表纤芯玻璃微观结构。随着被抓取原子靠近发光粒子，发射光由红变蓝，导致光纤中传输的光束也发生波长变化，这说明直接配位工程在光纤激光中的光谱调控作用。

　　文章链接：陈应刚, 王亚飞, 董贺贺, 林治全, 郭梦婷, 王孟, 张磊, 于春雷, 王世凯, 胡丽丽. 中国光学十大进展：900 nm波段掺钕激光光纤（特邀）[J]. 激光与光电子学进展, 2024, 61(23): 2300001.

　　1、背景  

　　近红外激光在激光通信、材料加工及强场物理等领域具有重要应用。近年来，位于近红外900 nm波段的激光器受到越来越多的研究关注。一方面，～900 nm激光可应用于泵浦掺Yb3⁺激光材料、大气探测和生物医疗。更重要的是～900 nm激光可以倍频产生～450 nm深蓝激光，在深海通信、激光存储、激光显示、原子物理等领域具有重要应用前景。

　　目前，研究者们主要通过半导体激光器、固体激光器和掺钕光纤激光器获得～900 nm激光。基于掺钕石英光纤激光器可实现小型轻量化、波长连续可调、光束质量高的⁓900 nm激光，近年来得到较多的研究关注。但通常掺Nd³⁺激光材料的主要发射位于~1060 nm，这导致⁓900 nm激光效率低下且极易产生~1060 nm自发辐射，强烈限制了其输出功率和应用。

　　2、研究现状  

　　(1)被动式抑制~1060 nm寄生振荡

　　为了获得纯净的⁓900 nm光纤激光，此前研究者们主要采取滤除纤芯的~1060 nm发光的方式。主要手段包括：

　　a)基于空间元件的光谱滤波：在光路中引入滤除～1060 nm光而保留～900 nm光的带通滤波片或者二向色镜，从而抑制~1060 nm寄生振荡。

　　b)引入弯曲损耗：由于波导色散的作用，长波光在光纤中的传播路径更接近纤芯的边缘，当光纤弯曲时，靠近纤芯边缘的长波光有更高的概率逸出纤芯。因此通过引入弯曲损耗，可抑制～1060 nm寄生振荡。

　　c)基于光纤波导的光谱滤波：通过设计W型光纤或光子带隙光纤，使得光纤在～1060 nm附近的传输损耗远大于在⁓900 nm附近损耗，从而抑制~1060 nm寄生振荡。

　　在同一个⁓900 nm光纤激光系统中往往需要联合使用这些方案以达到更好的抑制效果。但基于这些方案的全光纤化～900 nm光纤激光功率记录仍然处于很低的水平(< 3 W)。

　　(2)主动式增强⁓900 nm发光

　　a)低温运转：掺钕光纤～900 nm跃迁为三能级系统，低温冷却可降低基态能级热布居，使三能级跃迁转变为准四能级系统，有助于缩小与～1060 nm四能级跃迁之间的增益差，从而利于获得⁓900 nm激光。但复杂的低温系统缺乏实用性，而在掺钕光纤中有更多有效而实用的抑制～1060 nm寄生振荡的方案，采取该方案的～900 nm光纤激光研究近年鲜有报道。

　　b)纤芯材料设计：掺钕石英玻璃的发光性质与Nd³⁺配位结构密切相关，通过Judd-Ofelt 理论分析，可调整Nd3+离子的配位环境提高掺钕石英玻璃～900 nm荧光分支比，从根本上解决跃迁竞争的问题。

　　

　　图1 Nd:YAG中⁴F_3/2 → ⁴I_J跃迁荧光分支比与X的关系

　　3、课题组研究进展  

　　本文介绍了本课题组提出的主动式增强～900 nm发光的方案及在～900 nm光纤激光研究方面取得的进展。详述了通过改变石英玻璃中Nd³⁺离子的配位环境提高～900 nm荧光分支比的理论基础及实验方法。利用该方案制备的掺钕石英玻璃～900 nm发射强度反转超过～1060 nm发光强度，拉制的光纤在全光纤化结构中实现了113.5 W的～900 nm高功率激光输出，比此前的全光纤化～900 nm光纤激光功率记录高两个数量级。

　　图2 掺钕石英玻璃的光谱特性。(a) 引入不同阴离子的掺钕石英玻璃的光致发光光谱；(b) ⁴F_3/2能级到各激光下能级的积分荧光强度(所有的积分荧光强度为相对各自～1060 nm积分强度的相对值)；(c) 引入碘的掺钕石英玻璃及商用掺钕激光材料的光致发光光谱；(d) 引入不同阴离子的掺钕石英玻璃及商用掺钕激光材料的发光衰减谱及荧光寿命

　　该方案为～900 nm激光的研发提供了新思路，同时有望应用于其他稀土掺杂激光材料的光谱调控。进一步采用该类光纤获得了全光纤化920 nm高重频超短脉冲激光、890 nm及910 nm 单频激光、平均功率10 W级的920 nm稳定皮秒脉冲超短激光，为～900 nm全光纤激光的应用奠定了基础。

　　

　　图3 全光纤化掺钕光纤放大器光路图。(a) LD:激光二极管，CPS:包层功率剥离器，PM:功率计，OSA:光谱分析仪。激光输出-输入曲线；(b) 插图为八边形结构的掺钕石英光纤断面图，输出功率为113.5 W时放大器的激光光谱；(c) 插图为此时功率计照片

　　4、结论和展望  

　　主动式提高Nd³⁺离子为获得高性能～900 nm光纤激光提供了全新的材料解决方案。基于该方案已获得全光纤化927 nm百瓦量级激光、920 nm高重频超短脉冲激光、890和910 nm单频激光及920 nm高平均功率皮秒脉冲激光。相信通过降低掺钕光纤损耗、改善光纤数值孔径及联合使用其他～1060 nm寄生振荡抑制技术，研究人员有望实现数百瓦甚至上千瓦的高光束质量～900 nm光纤激光输出，其倍频蓝光、四倍频紫外光甚至深紫外光功率也将得到进一步提升，从而推动～900 nm光纤激光在生物成像技术、贵金属加工及增材制造技术、深海通讯等领域的应用。

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