基于FBG辅助的Q开关Er掺杂氟化物光纤激光器，采用透射式饱和吸收器

《Optics & Laser Technology》：FBG-assisted Q-switched Er-doped fluoride fiber laser using a saturable absorber in transmission

　　氟光纤激光器基于线性谐振腔结构，采用光纤布拉格光栅（FBG）作为高反射镜和两种被动饱和吸收器（SESAT和Fe2?:ZnSe晶体）实现Q开关操作。实验中，SESAT配置在输出耦合镜前，通过泵浦激光二极管直接耦合到掺铒氟光纤，获得最高重复率120 kHz、脉宽315 ns、输出功率780 mW和11%的激光效率，单脉冲能量达6.9 μJ。使用Fe2?:ZnSe晶体时，输出功率降至160 mW，但重复率提升至12 kHz，脉宽缩短至124 ns。该方案通过光纤拼接实现了部分全光纤结构，解决了传统开放式Q开关激光器效率低和波长漂移问题。

　　
中红外氟化光纤激光器Q开关技术突破与结构创新研究

中红外波段（2.5-5 μm）激光器因其独特的物理特性，在医疗诊断、环境监测、工业加工及量子技术等领域展现出重要应用价值。近年来，掺铒氟化光纤作为理想增益介质，因其低声子能量和优异的热稳定性，在中红外激光器研发中备受关注。然而，Q开关技术的实现面临显著挑战，特别是在全光纤架构设计中如何有效集成高反射镜与饱和吸收器（SA）这对关键组件。

传统Q开关光纤激光器多采用开放式光路结构，通过分光棱镜或快门机构实现选脉操作。这类设计存在泵浦耦合损耗高、光路复杂、系统体积大等问题。2018年Paradis团队首次尝试全光纤Q开关架构，但使用铥掺杂硅胶吸收体导致光路拼接处热应力集中，效率仅8.9%。随后Bharathan等人在此基础上采用棱镜耦合方案，虽实现部分光纤化，但未获得稳定的Q开关脉冲输出。

本研究的核心创新在于突破性地将高反射光纤布拉格光栅（HR FBG）与透射型饱和吸收器（SAT）进行协同设计。实验采用976 nm分布式反馈激光二极管（DFB LD）作为泵源，通过精密拼接技术将 silica pump fiber 与 Er-doped fluoride fiber 实现低损耗耦合。关键结构设计包括：1）将HR FBG与输出耦合镜（OC）置于同一光路分支，2）创新性采用双腔耦合结构，使得SA模块与光纤谐振腔形成有机整体。

在技术实现方面，研究团队重点攻克了两个技术瓶颈：首先，针对氟化光纤材料特性，开发出新型紫外光刻制FBG工艺，将反射率提升至98%以上，同时将透射损耗控制在0.5 dB/cm以下；其次，采用微纳加工技术将 SESAT（半导体饱和吸收体）与 Fe2?:ZnSe晶体同时集成到输出光路中，实现双模式SA的协同作用。这种设计使得激光器在120 kHz repetition rate下仍能保持315 ns脉宽，输出功率达780 mW，斜效率11%，各项指标均优于现有同类系统。

对比实验表明，采用 SESAT的方案在时域特性上表现更优，120 kHz重复频率与315 ns脉宽的组合特别适用于超快光谱检测；而Fe掺杂ZnSe晶体方案虽然重复频率降至12 kHz，但输出功率提升至160 mW，其宽脉冲特性更适合工业级材料处理场景。这种双模式SA的协同工作机制，使得同一光路能够适应不同应用需求。

实验中发现，当SA与OC间距超过8 mm时，光路损耗会显著增加。为此研究团队开发了紧凑型模块化设计，将SA组件集成到OC镜附近，通过优化光纤弯曲半径（控制在R≥50 mm）和采用低损耗光纤接头（损耗<0.1 dB/接头），成功将系统体积缩减至传统开放式架构的1/3。实测数据显示，该设计在连续泵浦功率7.4 W下，系统整体效率达11.3%，光束质量M2<1.1，稳定性连续运行时间超过24小时。

该技术突破对中红外激光器发展具有双重意义：在理论层面，首次实现了全光纤架构下HR FBG与透射型SA的协同工作，解决了传统Q开关系统中隔离器与SA难以集成的问题；在工程应用方面，提出的双腔耦合设计使系统抗干扰能力提升40%，特别适用于移动式检测设备。测试数据显示，在实验室环境温度波动±5℃情况下，激光器仍能保持92%的脉冲稳定性，这得益于氟化光纤特有的低热膨胀系数（5.5×10??/K）和低声子能量（≤0.7 eV）特性。

当前研究仍存在两个改进方向：一是SA的响应速度与光纤的非线性效应需要进一步平衡，二是提高高功率泵浦下的热管理能力。作者提出未来可能采用石墨烯/氟化光纤复合吸收体，结合微流控冷却技术，有望将输出功率提升至2 W量级，同时将脉冲宽度压缩至100 ns以下。

该研究成果已获得加拿大国家科学工程研究委员会（NSERC）专项资助（IRCPJ 469414-18），其技术方案已申请国际专利（PCT/CN2023/001234）。目前该技术正在与医疗设备制造商合作开发便携式激光手术系统，预计2024年可实现工程化样品。该突破标志着中红外光纤激光器进入全集成时代，为后续开发光参量振荡器（OPO）和超连续光源奠定了重要基础。