高效增益切换的Pr3+掺杂深红色光纤激光器的建模与分析

《Optical Fiber Technology》：Modeling and analysis of a high-efficiency gain-switched Pr3+-doped deep-red fiber laser

　　

Jiayue Yin|Wenshu Liu|Yaotian Hu|Xiaosong Dai|Huimin Yue|Chen Wei|Yong Liu

中国电子科技大学光电科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都611731，中国

摘要

深红色脉冲激光由于其独特的光谱特性，在生物医学、军事和工业应用中引起了极大的兴趣。目前使用Pr³⁺掺杂氟化物的实现依赖于Q开关或锁模技术，这些技术需要腔内调制器或饱和吸收器，从而增加了复杂性和插入损耗。在这里，我们首次提出并数值研究了工作在717纳米处的增益开关Pr³⁺掺杂双包层氟化物激光器。通过系统建模和优化的谐振器设计，我们详细分析了不同泵浦参数（包括泵浦峰值功率、重复频率和脉冲宽度）对激光器输出性能的影响。预测了稳定的高斯形状单脉冲模式以及输出脉冲能量对泵浦条件的依赖性。该激光器在50千赫到超过250千赫的宽重复频率范围内稳定工作，产生持续时间低于12纳秒、能量高达21.75微焦耳的脉冲。最值得注意的是，它实现了20.34%的光电转换效率和21.26%的斜率效率，这大约是迄今为止报道的最佳主动调制深红色Pr³⁺光纤激光器效率的两倍。这项工作证明了使用增益开关产生高效、窄脉冲、高能量深红色激光的可行性，并为可见光谱中增益开关脉冲激光器的发展提供了理论基础和设计指导。

引言

深红色脉冲激光在水中和血红蛋白中的吸收最小，能够高效穿透组织且几乎不产生光毒性。它们的脉冲操作减少了热损伤。由于这些优点，它们非常适合生物医学应用、生物光子学和荧光成像[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。此外，这些激光在遥感、军事技术、食品安全和材料加工[6]、[7]、[8]、[9]中也显示出广阔的潜力。目前，深红色激光可以通过几种方法实现。已建立的方法包括准分子激光/染料激光[10]、[11]、[12]、[13]和近红外激光的非线性频率转换[14]、[15]、[16]、[17]。然而，这些技术通常受到其大尺寸、复杂架构和高成本的限制。此外，非线性转换过程对系统有严格的要求，通常效率较低。

相比之下，稀土掺杂光纤激光器具有显著的优势，包括更好的光束质量、更高的能量转换效率和更紧凑的设计。其中，Pr³⁺掺杂氟化物激光器[18]、[19]、[20]、[21]通过直接下转换产生深红色发射，显著提高了激光转换效率。在氟化物光纤中，Pr³⁺离子表现出宽的吸收和发射光谱。此外，氟化物光纤的低声子能量和弱晶体场特性[22]进一步增强了Pr³⁺掺杂氟化物激光器的优势。值得注意的是，Pr³⁺掺杂氟化物光纤也已被广泛研究作为O带（约1.3微米）在约1020纳米泵浦下的增益介质[23]、[24]。这种多波长能力突显了Pr³⁺掺杂氟化物光纤在可见光和近红外区域的多种应用潜力。

近年来，蓝色GaN激光二极管（LD）和双包层Pr³⁺掺杂氟化物光纤发展迅速。双包层结构的特点是其较大的内包层面积和高数值孔径（NA），不仅便于高效耦合高功率GaN LD，还提供了沿光纤长度的分布式吸收特性和改善的热管理。因此，光纤激光器成为产生深红色激光的有希望的来源。

已经报道了基于Pr³⁺掺杂单包层氟化物的连续波深红色激光[25]、[26]、[27]。然而，这些单包层光纤激光器的输出性能相对有限。Kifle等人首次展示了一种由442纳米GaN LD泵浦的双包层Pr³⁺掺杂光纤激光器，在716.7纳米处实现了0.71瓦的输出功率和9.0%的斜率效率[28]。随后，Zou等人使用443纳米泵浦源实现了4.1瓦的更高输出功率和22.2%的斜率效率[29]。最近，Lan等人使用442纳米GaN LD泵浦和自制的光纤二向色镜实现了717.2纳米处的最大输出功率10.28瓦和24.4%的斜率效率[30]。

尽管在连续波深红色激光方面取得了显著进展，但由于其在光束质量和峰值功率输出方面的优势，脉冲操作仍然较少被探索，因此其发展仍然具有挑战性。脉冲操作通常通过被动或主动调制技术实现。对于被动调制，Li等人使用基于单壁碳纳米管/聚乙烯醇复合膜的饱和吸收器，展示了一种在716纳米处的被动Q开关Pr³⁺掺杂单包层光纤激光器。该系统实现了32.6至86.5千赫的可调重复率、2.3微秒的脉冲宽度，最大平均功率为1.5毫瓦和脉冲能量为18.3纳焦耳[31]；Zou等人使用图9腔和非线性光学环镜实现了一种在717.5纳米处工作的全光纤锁模激光器。他们获得了从57.3到135皮秒的可调持续时间、14.5854兆赫的重复率和最大平均输出功率41.6毫瓦的稳定耗散孤子共振脉冲[32]。然而，被动调制激光系统本质上受到饱和吸收器材料和泵浦功率的限制，缺乏对外部控制脉冲重复率和能量的能力，且稳定性通常较差。

在主动调制中，Xiao等人使用声光调制器（AOM）开发了一种在716纳米处工作的主动Q开关Pr³⁺掺杂单包层光纤激光器。在1千赫的重复率下，激光器产生了持续时间为40纳秒、脉冲能量为40微焦耳的脉冲[27]。随后，同一研究小组使用AOM调制在双包层Pr³⁺: ZBLAN光纤配置中实现了第一个主动Q开关深红色激光器。该系统在200千赫时实现了最大平均输出功率836毫瓦、5千赫时脉冲宽度为40纳秒、脉冲能量为128微焦耳和峰值功率为3.6千瓦[33]。然而，基于Q开关的主动调制方案通常需要额外的腔内组件，这引入了腔内损耗并增加了系统复杂性。

相比之下，增益开关技术提供了一种无调制器的架构，避免了相关的插入损耗，为更高效率铺平了道路。这种方法还提供了其他优势，包括简单的几何结构、对脉冲参数的灵活控制、不受低重复率限制的自由以及全光纤架构的可行性。尽管有这些优点，其在Pr³⁺掺杂光纤系统中生成高性能深红色脉冲的潜力仍未被探索。

在这项工作中，我们对443纳米脉冲泵浦下717纳米处的增益开关Pr³⁺掺杂氟化物光纤激光器进行了系统的数值研究。我们基于实验光谱参数建立了激光模型，确保了数值模型的可靠性和物理合理性。利用这个模型，我们优化了谐振器，并分析了不同泵浦参数（包括脉冲宽度、重复率和峰值功率）对输出激光脉冲的影响。这项分析有助于确定稳定高斯形状单脉冲发射的操作模式以及输出脉冲能量与泵浦条件之间的关系。据我们所知，这是对深红色增益开关Pr³⁺光纤激光器的首次数值分析和性能预测。最值得注意的是，它预测了20.34%的光电转换效率和21.26%的斜率效率，显著超过了此前在该光谱区域报道的所有脉冲方案。我们的仿真结果为实现窄脉冲、高能量和稳定的高斯形状单脉冲激光操作提供了理论基础和指导，为其他可见光波长带中增益开关脉冲激光器的发展提供了宝贵的见解和有希望的前景。

章节片段

数值模型

图1(a)显示了Pr³⁺离子的简化能级图，以及相关能级的寿命[34]。激光机制包括：（1）在443纳米泵浦下从³H₄能级到³P₂能级的基态吸收（GSA）；（2）从³P₂到³P₂的快速非辐射弛豫（NR）；（3）通过³P₀→³F₄跃迁产生的717纳米激光输出。

模型验证和参数优化

基于速率方程构建了一个连续波深红色激光模型，并根据文献中获得的实验参数进行了验证。如图1(c)所示，仿真结果的线性拟合曲线和报告的实验数据[27]分别用蓝线和红线表示。模拟的斜率效率达到了22.0%，与实验值22.2%非常吻合。在20.2瓦的泵浦功率下，测量的激光输出为

仿真结果

使用443纳米方波泵浦脉冲模拟了增益开关操作。系统研究了关键泵浦参数（包括峰值功率、重复频率和脉冲宽度）对深红色输出脉冲特性的影响。

结论

总之，我们通过增益开关方案数值证明了一种基于Pr³⁺掺杂的深红色光纤激光器，用于在717纳米处产生高能量的窄脉冲。激光腔参数得到了优化，并系统研究了泵浦参数（包括峰值功率、重复率和脉冲宽度）对输出脉冲性能的影响。该系统实现了最大输出脉冲能量21.75微焦耳。在250千赫重复率和平均功率13瓦的泵浦下

CRediT作者贡献声明

Jiayue Yin：撰写 – 原始草稿、验证、方法论、调查、概念化。Wenshu Liu：方法论、调查。Yaotian Hu：调查。Xiaosong Dai：调查。Huimin Yue：监督。Chen Wei：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目申请、资金获取、概念化。Yong Liu：监督。

资助

国家自然科学基金（62375041、62075032）；四川省科技支撑计划（2026NSFSC0403、2026NSFSC0407）；中央高校基本科研业务费（ZYGX2019J051）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。