Ho3+/Tb3+掺杂氟化物光纤中深红激光的蓝光二极管泵浦的数值设计

《IEEE Journal of Quantum Electronics》：Numerical Design on Blue Diode Pumping of Deep-Red Lasers in Ho3+/Tb3+ Co-Doped Fluoride Fibers

Ho3?/Tb3?共掺杂氟光纤激光器数值研究表明，蓝光二极管泵浦下优化光纤长度、输出镜反射率和泵浦波长可有效克服Ho3?的粒子数反转瓶颈，实现30.86 W CW输出功率和52%的激光效率，为高功率深红激光开发提供新途径。

　　

摘要：

本研究数值模拟了连续波（CW）深红色Ho³⁺/Tb³⁺共掺杂氟化物光纤激光器的性能。该激光器工作在约750纳米波长，采用蓝色二极管进行包层泵浦。研究了激光器的斜效率，并探讨了光纤长度、输出镜反射率以及泵浦波长对其的影响。结果表明，Tb³⁺离子有助于Ho³⁺:F⁴⁺→I⁷⁺跃迁克服种群反转瓶颈，从而显著提升激光器的效率与功率可扩展性。在60瓦的泵浦功率下，计算得到的连续波输出功率为30.86瓦，斜效率达到52%。这一结果为开发基于Ho³⁺和Tb³⁺共掺杂氟化物光纤的深红色激光器提供了理论支持。

引言

深红色激光器在多个领域具有广泛的应用前景，包括生物光子学[1]、生物医学[2]以及通过频率倍频产生紫外线（对安全相关领域具有重要意义[3][4]。掺稀土元素的光纤激光器（如ZBLAN光纤激光器）被认为是实现可见光激光输出的有效方式。早在20世纪90年代，人们就利用红色Kr/染料/二极管激光源和掺稀土元素的光纤，实现了550纳米和750纳米波长的激光输出[5]。然而，这些激光器的泵浦效率（进而影响整体激光效率）受到上转换泵浦机制的限制。直到2018年，才有人报道了直接使用蓝色二极管对掺稀土元素的ZBLAN光纤激光器进行泵浦的成功案例[6]。由于较高能级（S₂）的辐射寿命约为0.3毫秒，远低于较低能级（I₇）的12毫秒，因此在该激光器中实现能级间的种群反转十分困难。在450纳米二极管泵浦的掺稀土元素ZBLAN光纤中，虽然观察到了激光输出现象，但其斜效率仅为3.9%[6]。