为什么2µm光纤激光器是一种新趋势？

考虑到现有的1µm高功率掺镱(Yb)光纤激光器虽高效，但对人眼可能造成不可逆的伤害；1.5µm光纤激光器相对安全却低效；2µm掺铥(Tm)和钬(Ho)的光纤激光器可以做到既安全、又高效，并在以下应用中具有显著优势，成为如今新的趋势。

•大气气体监测：量程增加，精度更高

•塑料焊接：热处理透明塑料时无需添加粘合剂

•医用上：2µm掺铥光纤激光器在泌尿外科手术中可以提供精确的切割

2μm激光器在国防上的应用

特别值得一提的是，2µm光纤激光器在国防应用中具有极其重要的意义。

2μm激发范围的高能激光发射可用于定向红外对抗(DIRCM)领域，包括以高效率和高功率激光束瞄准地对空导弹光电系统。安装在飞机上的光纤激光系统，可以通过红外激光破坏导弹导引头，将导弹制导系统与红外激光脉冲相互混淆，可有效阻止对目标飞机的跟踪。

ISL(法国-德国圣路易研究所，是由法德两国共同运营的机构，服务于国防和安全领域)和exail(原iXblue)一直致力于开发2μm光纤激光器，因为后者在该领域具有丰富的经验和产品解决方案。ISL的研究重点是“控制激光发射能量并提高其精度”，其中包括开发基于二氧化硅掺杂光纤(铥、钬)等新型激光材料，在2μm–5μm的波长范围内产生激光。

因为波长为1940nm的红外光极易被水分子吸收，所以自由空间中应用的激光器波长一定要超过2000nm。ISL在2021年使用exail光纤获得了非常瞩目的成果：单谐振腔中使用铥钬共掺光纤，在连续模式下2090nm处实现M2=1.08, 195W的输出(参考A. Motard and al. Optics Express 2021年)，其最大输出功率由泵浦功率限制。在与DGA（法国军备总局）的研究计划中，上述研究成果为使用基于铥钬共掺光纤的激光结构在2μm波段开发定向能光纤激光器(DEL)打开了新思路。

2023年，exail和ISL发表了新的研究成果，这次使用的是单振荡器掺铥光纤激光器，实现了2.09μm的高效发射，达到193W(参考C. Louot and al. IEEE Photonics)。“这是第一次仅基于掺铥光纤的激光架构，显示出如此高效的激光发射，为基于铥离子的光纤激光器发展开辟了道路”，Anne Dhollande补充道。下图为掺铥光纤激光器高效发射谱：

高功率2μm光纤光栅

光纤结构中任何微小的瑕疵(尤其是在光纤连接处)都会迅速被激光加热，并造成光纤损伤，因此必须严格控制FBG制造过程的每个步骤，以避免出现瑕疵。近年来，光纤光栅得到了相当大的改进，以适应2μm范围内的高功率激光应用(见图)。

随着功率的升高，热效应越发明显。如何保证2μm的FBG稳定工作呢？如下图，一个未封装的FBG，在高功率(195W)时表现出很大的波长飘逸和光谱展宽。

因此，FBG的刻写工艺优化势在必行，并且需要采取适当的散热措施，exail利用在光纤的出色匹配(有源/无源)和散热封装等方面的经验，为大功率应用开发了一种特定的“HP-High Power”工艺，生产出的FBG在耐热性上比其他同类产品提高了近十倍。如下图红线所示：在HP工艺加持下，FBG在高功率条件下，仅仅出现极小波长飘逸和光谱展宽。

exail掺铥光纤的最新结果和应用案例

1.    exail还为ISL开发了保偏双包层IXF-2CF-Tm-O-20-250光纤，实现了213W@1.94µm的高效率和高功率输出。

2. 单包层低掺杂掺铥光纤IXF-TDF-5-125-LD，用于<1700nm波段应用。

3. 双包层掺铥25-400光纤，低弯曲半径IXF-2CF-Tm-O-25-400-SB，下图为绕盘直径分别为120mm和250mm的输出功率。

4.  IXF-2CF-Tm-O-10-130-RAD光纤在1940nm激光腔中的辐射试验。通过对未完全优化的掺铥光纤进行的初步测试表明，exail掺铥光纤具有可接受的辐照衰减，良好的光漂白性能，通过添加共掺杂剂可进一步提升抗辐照性能，适用于宇航应用。

exail掺钬光纤的最新结果和应用案例

exail的单包层掺钬光纤可以通过掺铥光纤激光器进行直接芯层泵浦。8µm芯径的光纤效率可高达75%。20µm芯径的光纤可应用于最后一级高功率低增益放大器。

1.    IXF-HDF-8-125：有保偏和非保偏可选，可通过掺铥激光器泵浦1860nm或者1950nm, 如下图，2米光纤，75%的效率@2100nm (相比市场同类产品57%的效率，2W输出)。

2.    IXF-HDF-PM-20-250-0.08：低数值孔径、单模、低增益、高输出最后一级放大器。如下图，掺钬光纤由基于掺铥光纤的主振荡器泵浦：一个全光纤脉冲激光系统(法国Thales)，100KHz重频，30W平均功率@2090nm。

3.    IXF-3CF-Ho-O-20-250-300-0.08: 三包层设计，20µm掺钬纤芯，由低折射率材料包围，以保证低数值孔径(0.08NA)；250µm八角形二氧化硅包层，最大限度地提高泵浦吸收；在包层和涂覆层之间添加氟掺杂二氧化硅层，有助于减少涂覆层加热，避免涂覆层对1.9µm泵的吸收。

如下图，由exail与法国航空航天实验室合作开发的一种新型光纤激光器架构，实现了~50%的效率，~100W@2120nm激光输出，输出功率由泵浦功率所限。三包层光纤结构，避免了泄漏激光直接接触涂覆层，降低了光纤失效风险，使激光输出总功率得以提高。

转自：exail

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