2 μm可調諧光纖激光器，是材料表徵、氣體測量的科研利器

技術限制了市場的發展

從20世紀80年代開始，波長可調諧的激光器就已獲得極大的關注和發展。目前，波長從近紫外到近紅外的可調諧激光器已投入商業生產，並有多種結構和工作機理各異的產品出現，已廣泛應用於光譜學、單晶元實驗室、醫學診斷、皮膚醫學等重要領域。

到目前為止，國際上已開發出分散式反饋（DFB）激光器、分散式布喇格反射器（DBR）激光器、基於微機電系統（MEMS）的可調諧垂直腔面發射激光器（VCSEL）、可調諧光纖激光器等。

此外，還發展了與濾波器、反射器、調製器、放大器等單片集成和混合集成的可調諧激光器，其中，採用光纖技術及MEMS技術的可調諧激光器更被市場看好，因為它們可以獲得大範圍內波長調諧能力，並且最有希望實現小型化、高密度、批量生產。

摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質的激光器，具有結構緊湊，輸出光束質量優異，轉換效率高等優點，並且增益光纖的帶寬一般較寬，有利於激光器的波長調諧。過去十年，隨著光纖激光技術的快速發展，可調諧光纖激光器已成為光纖激光器的重要發展方向。相比於傳統可調諧固體激光器，它們具有結構簡單、穩定性好、調諧範圍寬等顯著優勢。

目前1.5 μm可調諧光纖激光技術水平已與固定波長激光器不相上下，能完全實現整個C波段（1529~1561nm）或L波段（1570~1605nm）的寬頻調諧。而2 μm波段作為人眼安全波段逐漸引起市場的重視，其相關產品在大氣探測、光學元件測試、激光手術和激光雷達等領域都有著重要的應用前景。

然而，市場上的2 μm激光器大多工作在固定波長模式，或者是基於半導體作為增益介質或者基於光學參量振蕩（OPO）技術，導致結構複雜，不利於系統的穩定性，並且提高了生產成本。

可調諧2 μm光纖激光器技術

南京諾派激光技術有限公司通過自主研發設計，推出國內2 μm連續光纖激光器SuperTune-2000。

SuperTune-2000產品外觀圖

可調諧激光器主要由具有有源增益區和諧振腔的激光器、改變和選擇波長的可調裝置、穩定輸出波長裝置3個基本部分組成。使用外腔反饋光柵作為波長選擇元件，是可調諧激光器的常用技術手段。

諾派激光的外腔型結構設計如圖所示，主要包括4部分：激光產生模塊、波長選擇模塊（外腔反饋光柵）、電子控制及監控系統。

SupTune-2000的結構示意圖

激光產生模塊主要包括諧振腔結構選擇、抽運光部分以及增益光纖部分。在諧振腔結構選擇上，環形腔雖然有益於窄帶寬激光輸出，但是由於結構複雜，腔內損耗較大，不利於高效率寬頻可調諧輸出，因此產品結構設計上選擇線性腔作為基本腔結構。

波長選擇模塊採用Littman-Metcalf外腔結構，並同時使用光柵和反射鏡來實現波長可調諧的功能，增益元件未鍍膜端出射的光束先經過準直，然後用光柵對此光束進行衍射。零級衍射光從反射鏡反射回到光柵，在耦合回到增益元件前發生第二次衍射。在該結構中，光柵保持靜止，而轉動反射鏡來調諧激光諧振腔的支持波長。與Littrow結構的激光器不同，零級自由空間光束的方向保持不變，這在某些應用中是非常有益的。

SuperTune-2000是一款中紅外2 μm波段具有寬調諧範圍的連續激光器，其波長調諧範圍可以從1900-2050 nm，線寬0.1 nm，平均功率>1 mW。在固定波長下，具有優異的功率和波長穩定性，並且在掃描模式下，掃描速度>20 nm/s。例如，對於被動光纖元件或波導器件，通過利用SuperTune-2000的波長掃描功能，在30 s的時間內可以獲得在2 μm附近寬譜的透射特徵峰。

SuperTune-2000典型輸出光譜

不同波長下的輸出功率

輸出功率穩定性測試

科研應用中的利器

2 μm可調諧光纖激光器已成為材料光譜表徵、氣體分子檢測等研究的科研利器。

光學元件表徵/測試

在光柵波導的測試應用時，用一段損耗可忽略的短波導將一對輸入/輸出光柵耦合器連接起來，然後使用SuperTune-2000連續可調諧激光進行損耗測試，由SM1950光纖構成的偏振控制器作為測試信號光，同時在晶元輸出端使用InGaAs光功率計（Thorlabs S148C）測試光功率，通過步進波長輸出模式設定，可實現中心波長在1935-1980 nm、步進5 nm的連續輸出。比較經過晶元前、後的功率值，計算得出晶元在不同波長下的耦合損耗比。哈爾濱工業大學徐科教授課題組在進行此類研究時，得出如下曲線。

(a)光柵耦合器基於FDTD模擬（紅線）及實測的偶和效率（綠線）；(b)光柵耦合器光學顯微結構圖

在很多應用中，插分微環諧振器是一種實用性很強的器件。微環形狀是這樣的。

我們將微環設計成賽道結構，其彎曲半徑、耦合長度、耦合縫隙距離分別為10 μm、12 μm、200 nm。通過設計額外的氮化鈦層作為加熱層實現微環波長調諧。使用工作波長在2 μm波段的可調諧激光器SuperTune-2000以及功率計作為測試設備，當溫度一定時，微調SuperTune-2000輸出波長，觀察功率計示數變化，可測得微環的兩個臨近的振蕩峰：1967.6 nm和1979.5 nm。得益於可調諧激光器本身較高的調諧精度與信噪比，能夠準確測量微環振蕩峰位置以及振蕩處消光比，測試結果如圖(a),(b)所示，振蕩峰處消光比大於20 dB。

微環也經常作為光濾波器使用，此時波長調諧能力能夠顯著提升器件的應用範圍。文中通過電加熱氮化鈦層實現微環振蕩峰改變，進而實現波長選擇，利用SuperTune-2000寬調諧範圍，可以很好地測試出不同溫度下振蕩峰位置，為實驗提供較大的參數改變空間，相關實驗結果見圖(c)。

(a)和(b)分別為在1967.6 nm和1979.5 nm波長工作下微環共振值，(c)共振偏移與消耗電量的對應關係，(d)可調諧微環的俯視光學結構圖。（圖由哈爾濱工業大學徐科教授課題組提供）

隨著2 μm激光器市場份額的不斷擴大，相關元件的需求也日益增加，這對元件生產的質量和數量都提出了較高的要求。相應的元件測試系統不僅能夠檢測元件質量，對於改善元件生產工藝也能起到推動作用。2 μm可調諧光纖激光器作為光學元件測試系統的核心部件，需求量也隨之快速增長。

環境氣體檢測

大氣環境中的CH4、CO2等氣體是影響全球氣候變暖的主要因素。它們在大氣中的持續增多會形成一種無形的玻璃罩，使太陽輻射到地球上的熱量無法向外層空間發散，直接導致地球表面變熱，形成溫室效應。

由於CH4、CO2等溫室氣體在2 μm波段（1.85-2.1 μm）具有較強的分子吸收峰，因此我們可以依據光譜學技術，利用相應波段激光對特定氣體進行定量檢測。

與傳統氣體檢測技術相比，利用吸收光譜技術測量氣體濃度主要有以下優點：

1）可以同時監測幾種污染物的濃度；

2）實現完全非接觸在線自動監測；

3）儀器的靈敏度高，對於某種污染物只要選擇合適的光譜波段，就可以測出低於1 ppm (1 ppm為百萬分之一)的濃度；

4）系統運行費用低，安裝方便，升級簡單。

我國已頒布的《中華人民共和國大氣污染防治法》中明確規定要把大氣環境保護工作納入國民經濟和社會發展計劃中，防止大氣污染和保護大氣層是一項長期而艱巨的任務。隨著我國經濟的高速發展，尤其是工業的飛速發展，我國對能源的依賴越來越大，煤炭、石油等燃燒所產生的CH4、CO2等溫室氣體也越來越多，2 μm可調諧光纖激光器也勢必在這一市場領域佔有一席之地。

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選光電產品，就上光電匯