1.0、1.5、2.0 μm，这三种单频光纤激光器为何受到关注？

冬曰阳阳

杨昌盛1,3，岑旭1，徐善辉1,2,3，杨中民1,2,3,4*
1 华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室
2 华南理工大学物理与光电学院
3 广东省特种光纤材料与器件工程技术研究开发中心
4 华南理工大学广东省光纤激光材料与应用技术重点实验室
单频光纤激光器具有线宽窄、噪声低、相干性好、转换效率高、全光纤化结构等优点，在激光武器、激光雷达、空间激光通信、相干光通信、高精度光谱测量、引力波探测等领域有着广泛的应用前景，成为了激光领域的一个研究热点。
根据增益光纤稀土离子掺杂类型与激射波长的不同，目前主要有1.0 μm、1.5 μm 和2.0 μm三种典型波段的单频光纤激光器。
1.0 μm波段单频光纤激光器
基于掺Nd3+或Yb3+增益光纤的单频激光器主要工作于1.0 μm波段（集中于978 nm～1120 nm波长范围），在光晶格钟、深空探测、量子计算和基础物理研究等领域具有重要的应用前景。
其中，波长范围为910～940 nm的单频光纤激光器通过倍频技术可获得纯蓝光单频激光，可用于原子冷却、高分辨率3D光刻和水声通信等领域；波长范围为60～985 nm的单频光纤激光器可用作产生高性能蓝光及深紫外激光的基频光源。
1064 nm波段（1020～1080 nm）单频光纤激光器可用于相干或光谱合束、激光测距、引力波探测、激光雷达等领域。1120 nm单频光纤激光器可用作1178 nm拉曼光纤激光器的高质量泵浦源，亦可通过倍频技术获得560 nm单频激光，可用于原子冷却、生物医学成像和生物检测等领域。
（1）1.0 μm波段连续单频光纤激光器
在小于1.0 μm短波长连续单频激光输出方面，2016年，天津大学的Fang等报道了930 nm线偏振单频光纤激光器，利用长度为2.5 cm的掺Nd3+石英光纤制作DBR短腔，实现了功率为1.9 mW、线宽为44 kHz的单频激光输出。
2017年，本课题组的Huang等基于半导体光放大器（SOA）的饱和放大效应对978 nm DBR单频光纤激光器进行了噪声抑制，获得了功率为230 mW、线宽小于10 kHz的连续单频激光输出，实验装置图如图1所示。

图1 978 nm超短腔DBR单频光纤激光器实验装置图
在高功率连续单频激光输出方面，受激布里渊散射（SBS）是限制输出功率水平提升的主要因素，通常抑制SBS的手段主要包括增大光纤纤芯模场面积、缩短光纤使用长度、使用特殊光纤降低光场/声场重叠度、通过施加温度及应力梯度降低SBS增益等。
2020年，国防科技大学的Lai等基于全光纤MOPA结构对单频光纤激光种子源进行了放大。值得注意的是，主放大级使用一段长度为1.2 m的锥形掺Yb3+双包层光纤（T-YDF）作为增益介质，实现了功率为550 W、光束质量因子M2为1.47、斜率效率达80%的1030 nm连续单频激光输出。这是已报道的基于全光纤结构的单频激光器最高功率，功率曲线如图2所示。

图2 输出功率和后向功率与泵浦功率的关系图
在大于1.0 μm的长波长连续单频激光输出方面，2020年，本课题组的Wang等报道了基于掺Nd3+硅酸盐光纤的低阈值1120 nm单频光纤激光器，利用长度为1.5 cm 的掺Nd3+硅酸盐光纤制作了DBR短腔，获得了阈值为10 mW、线宽为71.5 kHz、功率为15 mW的连续单频激光输出。
掺Nd3+硅酸盐光纤的增益谱覆盖1120 nm区域，属于四能级系统，相比于传统的三能级系统更易实现粒子数反转，其阈值更低。掺Nd3+光纤相比于掺Yb3+光纤在1120 nm处具有更大的发射截面，在激射波长大于1100 nm的激光输出方面更有优势。
（2）1.0 μm波段脉冲单频光纤激光器
脉冲单频光纤激光器在获得高峰值功率和高脉冲能量的同时保持良好的光束质量，且在时间特性上具有多样性，更能满足实际应用需求。单频纳秒脉冲光纤激光器在具有较窄脉冲宽度的同时还拥有极窄的光谱线宽，可用于非线性频率转换、激光雷达、激光精密测距和相干合成等领域。
2016年，本课题组的Zhang等将1083 nm DBR短腔单频光纤激光种子源注入到环形腔中，获得了峰值功率为3.8 W、重复频率为1 kHz、信噪比达58.4 dB的脉冲单频激光输出。其实验装置图如图3所示。

图3 1083 nm线性频率调制脉冲单频光纤激光器装置图
1.5 μm波段单频光纤激光器
基于掺Er3+或Er3+/Yb3+共掺增益光纤的单频激光器主要工作于1.5 μm波段（C波段：1530~1565 nm）以及部分L波段（1565~1625 nm）。其波长正处于光纤通信的C窗口，使得具有窄线宽、低噪声特性的1.5 μm波段单频光纤激光器在相干光通信中有着很重要的价值，在高分辨率传感、光频域反射仪、激光雷达等领域也有广泛的应用。
而处于人眼安全的L波段单频光纤激光器可应用于高分辨率分子光谱学、激光雷达、掺Tm3+ 激光器的高性能泵浦源和非线性频率转换等领域。
（1）1.5 μm波段连续单频光纤激光器
2010年，本课题组的Xu等利用更高增益的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤制作了DBR短腔，实现了功率大于300 mW、线宽为1.6 kHz、斜率效率达30%的1535 nm连续单频激光输出，这是已报道的基于单振荡器结构的1.5 μm波段单频激光的最高功率。
在波长约为1.6 μm的连续单频激光输出方面，2018年，本课题组的Yang等利用MOPA结构对1.6 μm单频光纤激光种子源进行了放大，主放大级采用一段长度为4 m、纤芯直径为25 μm的大模场面积Er3+/Yb3+共掺保偏双包层光纤，获得了功率为15 W、线宽为4.5 kHz、偏振消光比大于23 dB的1603 nm连续单频激光输出。
在高功率连续单频激光输出方面，2016年，英国BAE系统公司的Creeden等利用 MOPA结构对单频光纤激光种子源进行了放大，主放大级采用940 nm多模半导体激光器后向抽运大模场面积Er3+/Yb3+共掺双包层光纤，获得了功率为207 W、斜率效率达50.5%的1560 nm连续单频激光输出。这是目前已报道的1.5 μm波段基于MOPA结构的单频激光器的最高功率，其实验原理图和功率曲线图分别如图4和图5所示。

图4 高功率单频Er3+/Yb3+共掺光纤放大器原理图

图5 940 nm泵浦的高功率EYDFA输出功率曲线
在单频激光噪声抑制方面，2017年，本课题组的Yang等利用两级光纤放大器组成的MOPA结构对经强度噪声抑制的单频光纤激光种子源进行了放大，实现了功率为23 W、线宽小于1.7 kHz的低噪声1550 nm连续单频激光输出，其在0.1～50 MHz频段内的相对强度噪声低至-150 dB/Hz@0.5 mW，接近量子噪声极限。
（2）1.5 μm波段脉冲单频光纤激光器
1.5 μm波段脉冲单频光纤激光器以其时域和频域上的特性，在激光测风雷达、激光水听器、光纤陀螺仪、光学传感与测量等领域具有广阔的应用前景。
2019年，本课题组的Li等利用具有可饱和吸收特性的半导体可饱和吸收镜（SESAM）在短线形腔内进行调Q，采用长度为1.3 cm的Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤作为增益介质，获得了峰值功率为533 mW、脉冲能量为55.4 nJ、重复频率为350.9 kHz、脉宽为104 ns的四波长脉冲单频激光输出，实验装置如图6所示。

图6 多波长被动调Q单频光纤激光器结构装置图
2012年，美国亚利桑那大学的Petersen等利用任意波形发生器（AWG）和EOM将1550 nm连续单频光纤激光调制成重复频率为10 kHz、脉宽为12 ns的脉冲激光，采用四级光纤放大器组成的MOPA结构对脉冲种子光进行放大，获得了峰值功率为128 kW、脉宽为3 ns、重复频率为10 kHz、单脉冲能量为0.38 mJ的窄线宽脉冲激光输出。
2.0 μm波段单频光纤激光器
基于掺Tm3+增益光纤的单频激光器主要工作于2.0 μm波段，在精密测量、高分辨率光谱学、相干雷达、激光遥感、非线性转换和无创医学等领域有着广泛的应用。2.0 μm波段为人眼安全波段，用其作为激光光源可避免激光在大气中传输时可能带来的危害。此外，2.0 μm波段单频光纤激光器的非线性效应阈值相比于1.0 μm波段的要高，在窄线宽高功率或高能量输出方面具有一定的优势。
（1）2.0 μm波段连续单频光纤激光器
在常规波长（1.9 μm附近）连续单频激光输出方面，2018年，本课题组的Guan等利用长度为1.8 cm的掺Tm3+锗酸盐光纤制作了DBR短腔，以1610 nm光纤激光器作为同带泵浦源，获得了功率为617 mW、线宽为12.55 kHz、斜率效率为42.2%的1950 nm连续单频激光输出。这是已报道的基于单振荡器结构的2.0 μm波段单频激光的最高功率，其功率曲线如图7所示。

图7 输出功率在不同泵浦波长下的模拟和实验结果
在大于2.0 μm长波长连续单频激光输出方面，2019年，天津大学的Shi等采用具有选频作用的级联单模-多模-单模(SMS)光纤装置和长度为7 m的掺Tm3+石英光纤制作了环形腔，并利用Sa- gnac环中未泵浦的一段有源光纤作为可饱和吸收体来实现单纵模运转，获得了功率为20.9 mW、信噪比大于60 dB的2004.9 nm连续单频激光输出。其装置示意图如图8所示。

图8 基于级联SMS光纤器件的单频掺铥石英光纤激光器装置示意图
在高功率连续单频激光输出方面， 2014年，北京工业大学的Liu等采用四级掺铥保偏光纤放大器组成MOPA结构，对功率为3.5 mW的DFB单频半导体激光种子源进行了放大，获得了功率为210 W、偏振消光比大于17 dB的2000.9 nm线偏振连续单频激光输出。
（2）2.0 μm波段脉冲单频光纤激光器
2.0 μm人眼安全波段的脉冲单频光纤激光器能够应用于激光雷达、激光医疗、污染控制、中红外超连续谱等领域。利用2.0 μm单频脉冲激光器作为泵浦源，通过非线性频率转换（如光学参量振荡器(OPO)或差频产生(DFG)等）来产生波长更长的中红外激光。
2015年，国防科技大学的Wang等利用强度调制器（IM）对连续单频光纤激光进行强度调制，实现了重复频率为1 MHz和脉宽为156 ns的单频脉冲种子光，然后采用MOPA结构对其进行了放大。主放大级采用一段长度为2.9 m、纤芯直径为25 μm的掺Tm3+双包层光纤作为增益介质，获得了平均功率为105 W、重复频率为1 MHz、脉宽为66 ns的1971 nm脉冲单频激光输出。
除了1.0 μm、1.5 μm、2.0 μm三种典型波段单频光纤激光器之外，其他波段的单频光纤激光器也受到了研究者的关注。例如1.2 μm波段单频光纤激光器在氧气大气遥感、光动力治疗、无创医学中具有重要的应用价值。此外，它还可以用作掺Tm3+激光器的高质量泵浦源以及非线性频率转换的基频光源，进而产生高性能的橙黄色激光、蓝光激光、紫外激光等。同时，2.0～3.0 μm波段单频光纤激光在材料加工与处理、药品、防御和安全等领域亦有着广阔的应用前景。
结论
单频光纤激光器经过30年的迅猛发展，已实现了平均功率为数百瓦、峰值功率为数千瓦、激光线宽为百赫兹、强度噪声接近量子噪声极限、波长调谐范围为数十纳米等的输出性能。当前正朝着高功率/高能量、超窄线宽、超低噪声、特殊波段、波长可调谐等方向深入发展，尽管取得了长足的进步，但在基础研究和应用技术方面仍然存在一些不足：
1）在线宽、噪声、波长等输出性能方面有待进一步提升和完善，如激光线宽压窄至赫兹量级、突破量子噪声极限的噪声抑制、波长超宽范围与超高精度可调谐等；
2）输出功率有待进一步提高，探索新型的非线性效应抑制机制与技术，进而提升单频激光功率水平；
3）关于高峰值功率/高脉冲能量的脉冲单频激光报道相对较少，需要进一步推动其技术研究；
4）有待进一步探究新型稀土离子掺杂光纤材料，同时需要持续提升和完善增益光纤、高质量光纤 Bragg光栅刻写、高性能泵浦源等研制技术，以支撑与满足特殊波段单频光纤激光技术的发展需求。
总之，实现更高功率/能量、超低噪声、超窄线宽和更丰富波长的单频光纤激光技术仍然是未来的主要研究方向，相信单频光纤激光器的进一步发展将会持续推动前沿科学研究、国民经济发展和国家战略需求，同时大幅提升其应用价值和科学意义。
本文改写自《光学学报》文章——单频光纤激光器研究进展

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0moA4OHa
免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！