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高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)

史伟 付士杰 盛泉 史朝督 张钧翔 张露 姚建铨

史伟, 付士杰, 盛泉, 史朝督, 张钧翔, 张露, 姚建铨. 高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210905. doi: 10.3788/IRLA20210905
引用本文: 史伟, 付士杰, 盛泉, 史朝督, 张钧翔, 张露, 姚建铨. 高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(1): 20210905. doi: 10.3788/IRLA20210905
Shi Wei, Fu Shijie, Sheng Quan, Shi Chaodu, Zhang Junxiang, Zhang Lu, Yao Jianquan. Research progress on high-performance single-frequency fiber lasers: 2017-2021 (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210905. doi: 10.3788/IRLA20210905
Citation: Shi Wei, Fu Shijie, Sheng Quan, Shi Chaodu, Zhang Junxiang, Zhang Lu, Yao Jianquan. Research progress on high-performance single-frequency fiber lasers: 2017-2021 (Invited)[J]. Infrared and Laser Engineering, 2022, 51(1): 20210905. doi: 10.3788/IRLA20210905

高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210905
基金项目: 国家自然科学基金(62105240, 62075159, 61975146)
详细信息
    通讯作者: 史伟,男,教授,博士,主要从事高性能光纤激光技术和太赫兹技术方面的研究。; 付士杰,男,副研究员,博士,主要从事单频光纤激光技术、新型光纤功能器件方面的研究。
  • 中图分类号: TN248;TN242

Research progress on high-performance single-frequency fiber lasers: 2017-2021 (Invited)

  • 摘要: 单频光纤激光器以其独特的窄线宽、低噪声的激光特性,结合光纤系统高光束质量、高集成性以及免维护等应用优势,在冷原子物理、高分辨光谱分析、引力波探测以及远距离相干通信等前沿科学研究和应用领域具有广泛前景。伴随着光纤激光技术的快速发展,单频光纤激光器的性能在过去的二十年间得到了长足进步,单频光纤激光技术的基本体系逐渐建立。近年来,研究人员围绕高性能单频光纤激光器开展了一系列创新工作,在探索单频光纤激光的新机制、新结构,提升单频激光功率、压缩线宽、抑制噪声以及拓展工作波段等方面取得了不俗的研究成果。为此,笔者系统总结分析了近五年来高性能单频光纤激光器的研究进展,及时捕捉当前单频光纤激光领域研究趋势及所面临的新的发展瓶颈,并对单频光纤激光技术在新阶段的发展方向进行了展望。
  • 图  1  (a) 基于回廊模微腔的窄线宽单频(掺Er3+)光纤激光器装置图;(b)回廊模谐振腔实物图[10]

    Figure  1.  (a) Schematic of the narrow-linewidth single-frequency Er3+-doped fiber laser based on a whispering gallery mode (WGM) micro-resonator; (b) Photograph of the WGM resonator[10]

    图  2  Yb:YAG晶体衍生石英光纤拉制示意图;预制棒纤芯材料为YAG晶体,包层材料为石英玻璃;(1)、(2)分别为晶体衍生光纤的侧面图和截面图[19]

    Figure  2.  Schematic diagram of Yb3+-doped crystal-derived silica fiber fabrication using the preform with a YAG crystal core and a silica cladding, where the insets are the optical images of the (1) side view and (2) cross-sectional view of the crystal-derived silica fiber[19]

    图  3  瓦级1050 nm单频掺镱磷酸盐光纤激光器输出功率特性曲线;插图:单频光纤激光实验装置图[23]

    Figure  3.  Output power as a function of pump power of the Watt-level 1050 nm single-frequency Yb3+-doped phosphate fiber laser; Inset: Experimental setup of the single-frequency fiber laser[23]

    图  4  (a) 基于掺铥光纤作为饱和吸收体的1.7 µm单频光纤激光器实验装置图;(b)单频激光输出功率特性[24]

    Figure  4.  (a) Experimental setup of 1.7 µm single-frequency fiber laser based on Tm3+-doped fiber as the saturable absorber; (b) Output power of the single-frequency laser with respect to the pump power[24]

    图  5  200 Hz超窄线宽掺铒单频光纤激光实验装置图[25]

    Figure  5.  Experimental setup of 200 Hz ultra-narrow linewidth Er3+-doped single-frequency fiber laser[25]

    图  6  (a) 基于掺铥-布里渊复合增益的2 µm窄线宽单频光纤激光器实验装置图;(b) 单频激光功率输出曲线,插图:基于延迟自外差法测得的斯托克斯光线宽[26]

    Figure  6.  (a) Experimental setup of the 2 µm narrow-linewidth single-frequency Brillouin-Thulium-based fiber laser; (b) Curves of single-frequency laser output power; Inset: Measured Stokes linewidth based on delayed self-heterodyne method[26]

    图  7  (a) 基于半导体光放大器与自注入锁定技术的单频光纤激光器全光噪声抑制实验装置图;(b)单频激光在自由运转以及半导体光放大器和自注入锁定技术应用下噪声特性对比图[31]

    Figure  7.  (a) Experimental setup of the low-noise single-frequency fiber laser based on booster optical amplifier (BOA) and self-injection locking (SIL) techniques; (b) Comparison on laser noise of the single-frequency laser under free-running status, and noise control status with BOA and SIL techniques[31]

    图  8  高功率单频全光纤放大器的功率发展进程

    Figure  8.  Power evolution of single-frequency fiber amplifiers in all-fiber configurations

    图  9  (a)锥形光纤纤芯半径随光纤长度变化趋势;(b)基于锥形光纤的主放大级信号功率及反向功率演化特性[48]

    Figure  9.  (a) The core radius of the tapered fiber along with the fiber length; (b) Laser output power and backward power of the main amplifier stage with tapered gain fiber[48]

    图  10  (a) 基于复合泵浦和级联光纤技术的单频掺镱光纤放大系统装置图;(b) 976 nm单独泵浦以及976 nm和915 nm复合泵浦下单频放大输出功率;(c) 单频激光功率为435 W时的光束质量[49]

    Figure  10.  (a) Experimental setup of the single-frequency all-fiber amplifier based on hybrid pump of the cascaded Yb3+-doped fibers; (b) Laser output power of the main amplifier stage under singular 976 nm pump, and 976 nm and 915 nm hybrid pump; (c) Measured beam quality of the single-frequency amplifier at the output power of 435 W[49]

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出版历程
  • 收稿日期:  2021-11-26
  • 录用日期:  2022-01-07
  • 修回日期:  2022-01-06
  • 网络出版日期:  2022-02-10
  • 刊出日期:  2022-01-25

高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)

doi: 10.3788/IRLA20210905
    通讯作者: 史伟,男,教授,博士,主要从事高性能光纤激光技术和太赫兹技术方面的研究。; 付士杰,男,副研究员,博士,主要从事单频光纤激光技术、新型光纤功能器件方面的研究。
基金项目:  国家自然科学基金(62105240, 62075159, 61975146)
  • 中图分类号: TN248;TN242

摘要: 单频光纤激光器以其独特的窄线宽、低噪声的激光特性,结合光纤系统高光束质量、高集成性以及免维护等应用优势,在冷原子物理、高分辨光谱分析、引力波探测以及远距离相干通信等前沿科学研究和应用领域具有广泛前景。伴随着光纤激光技术的快速发展,单频光纤激光器的性能在过去的二十年间得到了长足进步,单频光纤激光技术的基本体系逐渐建立。近年来,研究人员围绕高性能单频光纤激光器开展了一系列创新工作,在探索单频光纤激光的新机制、新结构,提升单频激光功率、压缩线宽、抑制噪声以及拓展工作波段等方面取得了不俗的研究成果。为此,笔者系统总结分析了近五年来高性能单频光纤激光器的研究进展,及时捕捉当前单频光纤激光领域研究趋势及所面临的新的发展瓶颈,并对单频光纤激光技术在新阶段的发展方向进行了展望。

English Abstract

    • 光纤激光器凭借其特殊的光波导结构,在热管理、光束质量控制以及系统集成性和稳定性等方面相对传统激光器展现出显著的应用优势,在过去的二十年间实现了跨越式发展,成为当前从基础科学研究到广泛工业应用极富竞争力的高性能激光光源[1]。特别是伴随着高亮度半导体泵浦源和双包层光纤制备工艺的进步,光纤激光技术得到了长足的发展。其中,单频光纤激光器以其窄线宽、低噪声等优异性能,在原子物理、高分辨光谱分析、激光相干雷达以及引力波探测等领域得到了重要的应用。与此同时,为满足具体应用场景的分辨能力、探测灵敏度和精度、距离以及范围要求,相关应用对单频光纤激光器在功率、线宽、噪声以及系统集成等方面的性能指标提出了更高的要求,驱动高性能单频光纤激光器快速发展。

      近年来,包括英国南安普敦大学、德国汉诺威激光中心、天津大学、国防科技大学和华南理工大学在内的国内外多个课题组先后对单频光纤激光器的研究进展作了综述性报道[2-6]。笔者课题组也在2017年的综述文章中系统介绍了单频光纤振荡器及放大器的关键技术、研究历程以及标志性的研究成果[4]。但总的来看,单频光纤激光器的发展仍存在一定的局限性。一方面,单频光纤激光的实现机制仍相对固化,主要集中于基于线形腔的分布布拉格反射式(DBR)和分布反馈式(DFB)单频激光,以及基于环形腔结合窄带滤波器件的单频激光结构。前者的短腔结构严重限制了有源光纤的长度,往往需要采用具有高稀土离子掺杂能力的多组分玻璃光纤提高增益,其机械强度和系统损耗仍需得到进一步改善;环形腔结构虽不存在对有源光纤长度的严苛限制,但相应地面临着长腔条件下的纵模稳定性问题。另一方面则体现在具体的单频激光性能指标上。目前单频光纤激光输出波长仍局限于典型稀土离子的发射峰,如掺镱光纤的1 μm波段,掺铒光纤的1.5 μm波段,以及掺铥光纤的1.9 μm波段,单频激光波长的拓展仍需引入新型发光材料和新实现机制。在高功率单频光纤激光方面,基于全光纤结构的瓦级单频光纤振荡器以及千瓦级单频光纤放大器仍面临着高增益下的热平衡、受激布里渊散射效应(SBS)以及模式不稳定(MI)等多种挑战。此外,赫兹量级超窄线宽以及近背景超低噪声的单频光纤激光的实现仍需从理论机理到系统控制的全链条突破提升。

      近年来,随着光纤激光技术的进一步发展完善,高性能单频光纤激光器的研究出现了一系列可喜的进展,在新型单频实现机制、光纤激光材料的引入,在高功率、窄线宽、低噪声以及波长拓展等性能指标提升方面均取得了一定的突破。为此,文中在笔者课题组2017年发表的单频光纤激光器综述文章[4]的基础上,对近五年来高性能单频光纤激光器的新进展进行了总结分析,及时捕捉当前单频光纤激光领域的研究趋势及所面临的新的发展瓶颈,并对单频光纤激光技术下一步的发展方向作了展望。

    • 如文中所述,当前单频光纤激光器的实现机制主要分为依赖超短腔增加纵模间距的DBR结构,利用相移光栅超窄带滤波特性的DFB结构,以及结合法布里-玻罗干涉仪、未泵浦掺杂光纤或高瑞利散射系数光纤等窄带滤波器件的环形腔结构。在此基础上,研究人员提出了一系列结合新材料的改进结构设计。2017年,加拿大蒙特利尔理工学院的S. Loranger 等人报道了基于高非线性光纤的低阈值单频DFB拉曼光纤激光器,通过在30 cm长高非线性光纤内刻入π相移光栅,获得了1120 nm单频拉曼激光输出,激光阈值仅为350 mW[7]。该工作利用特殊光纤的高非线性增益特性结合DFB结构的超窄滤波特性为拓展单频光纤激光输出波长提供了新的技术途径,但高功率下光纤内部的热梯度以及克尔效应导致的非线性啁啾造成DFB结构窄带透射特性的失效,因此该单频拉曼光纤激光器的最高输出功率仅为50 mW。

      在环形腔单频光纤激光器方面,除了前述常见窄带滤波器件作为选频工具外,具有非线性光学特性的二维材料近来被引入到光纤激光领域以实现激光器的单纵模运转。如2019年深圳大学的Z. Sun等人通过在D型光纤表面涂敷一层金属-有机框架材料,利用其饱和吸收特性实现超窄带选频,结合光纤光栅滤波,最终获得线宽为3.2 kHz的1550 nm单频激光输出[8]。二维材料普遍具有宽带透射能力,采用其构建基于光纤结构的超窄带滤波器可在多个激光波段得到应用,相比传统光纤滤波器件具有广泛适用性的优势,但热损伤阈值低以及热稳定性差等因素仍是其实现高功率单频激光振荡器的应用壁垒。此外,基于回廊模谐振的光学微腔凭借其超高Q值(可达1011)特性也被应用于实现窄线宽单频光纤激光器[9]。如图1所示,2014年马克斯−普朗克研究所的M. C. Collodo等人利用一Q值为108的CaF2回廊模微腔作为掺铒环形腔光纤激光器的窄带选频器件,实现了线宽为650 Hz的单频激光输出,激光线宽相较于无源光学微腔本身的滤波带宽提高了三个数量级[10]。高Q值微腔的应用能够显著压缩单频光纤激光的线宽,提升激光频率稳定性,但鉴于光学微腔对热效应较为敏感,当前基于高Q值微腔结构的单频激光源输出功率普遍较低,且其窄带滤波特性依赖于光学微腔与光纤的高精度耦合,使其难以适应复杂环境的应用。

      图  1  (a) 基于回廊模微腔的窄线宽单频(掺Er3+)光纤激光器装置图;(b)回廊模谐振腔实物图[10]

      Figure 1.  (a) Schematic of the narrow-linewidth single-frequency Er3+-doped fiber laser based on a whispering gallery mode (WGM) micro-resonator; (b) Photograph of the WGM resonator[10]

      高性能单频光纤激光器的快速发展,一方面依赖于器件性能提升以及腔型结构优化,另一方面则取决于高质量、高增益有源光纤的发展。近年来随着石英玻璃组分的优化工艺以及基于改进的化学气相沉积法(MCVD)的高纯度光纤预制棒制备技术的逐渐成熟,商用稀土掺杂石英玻璃光纤的增益水平得到显著提升,基于此类有源光纤构建的短腔型单频光纤激光器输出功率已达百mW量级[11-12]。此外,全石英玻璃基质光纤激光系统所具有的熔接损耗低、系统稳定性高等特点在实际应用中展现出明显的优势。但单频光纤激光器功率的进一步提升目前仍主要依赖于高稀土离子掺杂浓度的多组分软玻璃光纤[13-14]。早在2006年,美国亚利桑那大学A. Schülzgen等人利用3.8 cm高掺铒磷酸盐光子晶体光纤,已实现1.5 μm波段高达2.3 W的单频激光功率输出[15]。但不同种光纤间的熔接导致激光器损耗达到7.7 dB,激光转换效率仅为12%,且高功率下熔接点处严重的热效应制约着激光功率及单纵模运转的稳定性。近年来,研制与石英玻璃光纤相兼容的新型高增益光纤材料并实现高功率单频光纤激光成为高性能单频光纤激光领域新的研究思路。2009年,美国克莱姆森大学的J. Ballato等人首次制备了以Er:YAG晶体为纤芯材料、石英玻璃为包层材料的光纤结构,试图利用YAG晶体材料较为优越的导热系数以及高稀土离子掺杂能力(50 wt.% Er3+),结合石英包层结构设计获得与传统石英光纤系统高度兼容的高功率光纤激光器[16],这类光纤之后被统称为晶体衍生石英光纤(crystal-derived silica fiber)。2018年,华南理工大学Y. Zhang等人制备了Yb3+掺杂浓度为2.61 wt.%的YAG晶体衍生光纤,测得其在1064 nm处的增益系数可达3 dB/cm,并利用1.7 cm长增益光纤实现1064 nm DBR型单频光纤激光器,但该晶体衍生光纤20 μm的纤芯直径仍与激光系统中其他石英光纤存在较大的模场失配损耗,实验获得的激光效率仅为3.8%[17]。2019年,山东大学的Z. Liu等人通过降低晶体衍生光纤与石英光纤纤芯尺寸的失配,利用14 mm长掺杂浓度为4.8 wt.%的Yb:YAG晶体衍生石英光纤首次实现了百mW量级单频光纤激光[18]。但由于晶体本身的折射率与石英玻璃存在较大差异,该晶体衍生光纤的数值孔径高达0.42,因此,模场失配带来的损耗仅通过光纤尺寸的匹配难以消除, 18.5%的单频激光斜率效率仍低于基于全石英光纤的单频光纤激光系统[12]。2021年,上海大学Y. Wan等人通过进一步提高YAG晶体中镱离子的掺杂浓度(达5.66 wt.%)获得了1030 nm处最高255 mW的单频激光输出功率,斜率效率为35%,光纤结构及拉直过程如图2所示[19]。此外,在1.5 μm波段,2021年,山东大学Y. Xie等人系统研究了不同铒离子掺杂浓度下Er:YAG晶体衍生光纤的增益特性,在5 at.%的铒离子掺杂浓度下测得1550 nm处最高1.46 dB/cm的增益系数;实验中研究人员利用1.8 cm长掺铒光纤获得了25 mW的单频激光功率,斜率效率为15.1%[20]。总的来看,晶体衍生光纤作为一种新兴的复合型光纤材料在近年来得到快速发展,并为单频光纤激光的实现提供了新的研究思路,国内包括山东大学、上海大学在内的多个课题组在该研究方向取得了一系列成果。但需指出的是,基于稀土掺杂晶体衍生光纤的单频光纤激光器系统损耗仍较为严重、激光增益尚不充分,有源光纤在组分优化、增益系数提升以及模场匹配等方面仍有较大优化提升空间。

      图  2  Yb:YAG晶体衍生石英光纤拉制示意图;预制棒纤芯材料为YAG晶体,包层材料为石英玻璃;(1)、(2)分别为晶体衍生光纤的侧面图和截面图[19]

      Figure 2.  Schematic diagram of Yb3+-doped crystal-derived silica fiber fabrication using the preform with a YAG crystal core and a silica cladding, where the insets are the optical images of the (1) side view and (2) cross-sectional view of the crystal-derived silica fiber[19]

    • 高功率的单频激光振荡器凭借其优异的光谱纯净度在高分辨率计量和光谱分析,高精度探测以及高保真度星间通讯等领域具有广泛的应用需求;此外,较高的单频种子源功率对于实现高效单频功率放大,有效抑制放大的自发辐射(ASE)也具有重要作用,因此,高功率单频光纤振荡器的研究一直是高性能单频光纤激光领域的研究热点。得益于光纤通信领域的快速发展,1.5 μm波段的掺铒光纤激光器率先实现单频激光瓦级功率输出。2005年,美国亚利桑那大学的T. Qiu等人利用包层泵浦5.5 cm高掺杂Er-Yb共掺磷酸盐玻璃光纤实现了1.6 W的单频激光输出,并于2006年将功率提升到2.3 W,该功率水平仍为目前1.5 μm波段单频光纤激光器的最高输出功率 [15, 21]。近年来,高功率单频光纤激光器在其他应用波段也得到快速发展,瓦级单频激光功率相继得到报道。在2 μm波段,2018年,华南理工大学X. Guan等人使用1610 nm光纤激光同带泵浦基于18 mm高掺铥锗酸盐玻璃光纤的激光谐振腔来有效提高增益光纤吸收效率,获得了617 mW的单频光纤激光,激光效率达到42.2% [22]。2021年,美国亚利桑那大学的S. Fu等人利用18 mm长、浓度为8 wt.%的掺镱磷酸盐光纤搭建了DBR型光纤激光器,如图3所示,在1050 nm处获得了1.15 W单频线偏振激光,激光效率达到66%,偏振消光比保持在30 dB [23]。前述高功率单频光纤激光振荡器的实现主要基于DBR型短腔结构,利用高掺杂多组分玻璃光纤作为增益介质,显著提升其功率提取能力,但功率的进一步突破仍面临着诸多挑战,如高功率下光纤光栅的缓慢热飘移导致激光功率出现饱和输出趋势,谐振腔内的热效应造成单频激光噪声和线宽特性的劣化等。因此,在优化提升光纤增益的同时,仍需考虑高功率下激光谐振腔的散热及泵浦噪声耦合问题。

      图  3  瓦级1050 nm单频掺镱磷酸盐光纤激光器输出功率特性曲线;插图:单频光纤激光实验装置图[23]

      Figure 3.  Output power as a function of pump power of the Watt-level 1050 nm single-frequency Yb3+-doped phosphate fiber laser; Inset: Experimental setup of the single-frequency fiber laser[23]

      基于短腔DBR结构的单频光纤激光器尽管具有单纵模运转高稳定性及高系统集成性的优势,但激光功率严重依赖于高增益有源光纤的发展。而基于环形腔结合窄带滤波器件的单频光纤激光系统则摆脱了这一限制。2021年,笔者课题组采用环形腔结构实现掺铥光纤在1.7 μm 波段的增益积累,获得了高功率、高效率1720 nm单频掺铥光纤激光器[24]。如图4(a)所示,实验中采用1570 nm光纤激光同带泵浦环形腔掺铥光纤激光器,利用掺铥光纤在1.7 μm波段较强的吸收特性作为饱和吸收体,结合高反射率光栅实现超窄带滤波,最终获得1720 nm处2.56 W单频激光输出,激光斜率效率达到44%。该研究工作不仅实现了单频掺铥光纤激光器输出波长向1.7 μm波段的有效拓展,更是当前单频光纤激光振荡器的最高功率水平。

      图  4  (a) 基于掺铥光纤作为饱和吸收体的1.7 µm单频光纤激光器实验装置图;(b)单频激光输出功率特性[24]

      Figure 4.  (a) Experimental setup of 1.7 µm single-frequency fiber laser based on Tm3+-doped fiber as the saturable absorber; (b) Output power of the single-frequency laser with respect to the pump power[24]

    • 单频窄线宽光纤激光所具有的高相干特性,使其在远距离相干通信、激光雷达以及分布式光纤传感等相干应用领域具有独特的优势。基于短腔结构的单频光纤激光器较短的谐振腔长导致腔内光子寿命有限,其激光线宽一般保持在kHz量级,进一步的线宽压缩往往需要额外的腔反馈机制或设计虚拟折叠腔结构来增加腔内光子寿命。

      相比于线形腔结构,环形腔单频光纤激光器的长腔结构有利于提高腔内光子寿命,为实现超窄线宽光纤激光器提供了重要前提。此外,环形长腔结构便于引入各类可调谐窄带滤波器件,有利于实现线宽小于kHz的宽调谐单频光纤激光器。2018年,重庆大学的Y. Li等人在掺铒环形腔激光器内综合运用未泵浦掺铒光纤的饱和吸收特性以及背向瑞利散射反馈技术实现了百 Hz量级超窄单频线宽[25]。如图5所示,实验中首先利用未泵浦掺铒光纤中的激光驻波形成周期性调制的折射率光栅构成模式选择器件,得到环形腔激光的单纵模运转,同时结合100 m长单模光纤内的背向瑞利散射光所具有的超窄带宽特性进一步地将激光线宽由1 kHz压缩到~200 Hz。

      图  5  200 Hz超窄线宽掺铒单频光纤激光实验装置图[25]

      Figure 5.  Experimental setup of 200 Hz ultra-narrow linewidth Er3+-doped single-frequency fiber laser[25]

      2020年,笔者课题组利用受激布里渊散射-掺铥光纤混合增益结构实现低SBS阈值的2 μm波段超窄线宽单频光纤激光器[26],结构如图6(a)所示。光谱线宽为40 kHz的单频掺铥光纤激光器经功率放大后注入由掺铥保偏光纤和无源保偏光纤构成的全保偏环形腔,光纤中生成的反向斯托克斯光(Stokes)经无源保偏光纤和有源掺铥光纤混合增益得到高效放大,利用SBS效应的窄带增益特性实现由布里渊泵浦光到Stokes光约43倍的线宽压缩,首次实现2 μm波段单频光纤激光百Hz量级线宽,同时激光转换效率达到50%。

      图  6  (a) 基于掺铥-布里渊复合增益的2 µm窄线宽单频光纤激光器实验装置图;(b) 单频激光功率输出曲线,插图:基于延迟自外差法测得的斯托克斯光线宽[26]

      Figure 6.  (a) Experimental setup of the 2 µm narrow-linewidth single-frequency Brillouin-Thulium-based fiber laser; (b) Curves of single-frequency laser output power; Inset: Measured Stokes linewidth based on delayed self-heterodyne method[26]

      除此之外,高Q值微腔[27]、高精细度光纤环[28]以及多环复合腔[29]等结构也相继被应用于环形腔光纤激光系统实现Hz量级超窄线宽单频激光,丰富了窄线宽单频光纤激光器的技术路径。

      低强度噪声和频率噪声是衡量单频光纤激光器性能的另一重要指标,除了针对单频谐振腔进行温度控制和震动噪声隔离等一般物理措施来抑制环境噪声,早期激光噪声的抑制技术通常采用光电反馈手段对泵浦源或谐振腔控制系统进行反馈调节,以提升激光功率和频率稳定性。高效反馈的实现往往需要考虑光电转换及伺服反馈系统的带宽限制,此外,光电反馈系统引入的额外电学噪声则在一定程度上降低了低频噪声的抑制效果。具有低热膨胀系数的超稳腔以及超窄带吸收峰的特定气体作为高精度频率参考源,也被用来降低频率噪声、实现Hz量级激光线宽,但其复杂的结构设计以及参考源较弱的抗环境干扰能力限制了相关技术手段在复杂现实环境中的应用。近年来,基于全光反馈技术实现单频光纤激光的噪声抑制得到广泛的关注和快速发展[30],这一技术途径实现了单频激光与反馈系统的光纤兼容性,便于获得实时高效反馈。2018年,华南理工大学Q. Zhao等人利用如图7(a)所示的自注入反馈技术将一部分激光功率反馈注入激光谐振腔对单频激光输出特性进行锁定,降低模式跳变及频率漂移程度;另一方面,结合半导体光放大器的非线性放大特性降低信号光的全频带噪声,实验中获得强度噪声峰值处60 dB的噪声抑制,在75 kHz~50 MHz的宽频带范围内实现近散粒噪声激光特性[31]。2021年,北京工业大学Q. Zhang等人研究了2 μm单频光纤激光系统中泵浦强度噪声向激光频率噪声的耦合特性,通过分析具有不同强度噪声特性的泵浦源对单频掺铥光纤激光频率噪声的影响,得到具有较低噪声特性的1550 nm单频光纤激光器能够有效避免泵浦强度噪声导致的激光谐振腔热抖动,基于此实现了低频率噪声的2 μm单频光纤激光器[32]

      图  7  (a) 基于半导体光放大器与自注入锁定技术的单频光纤激光器全光噪声抑制实验装置图;(b)单频激光在自由运转以及半导体光放大器和自注入锁定技术应用下噪声特性对比图[31]

      Figure 7.  (a) Experimental setup of the low-noise single-frequency fiber laser based on booster optical amplifier (BOA) and self-injection locking (SIL) techniques; (b) Comparison on laser noise of the single-frequency laser under free-running status, and noise control status with BOA and SIL techniques[31]

      当前单频光纤激光器利用虚拟折叠腔等腔型结构设计获得了亚kHz窄线宽激光输出,通过引入微腔等高精细度结构进一步压缩激光线宽至Hz量级,超窄线宽单频光纤激光的发展得到长足进步;值得注意的是,超窄线宽单频光纤激光功率水平仍普遍较低,复杂腔型结构设计以及超窄带滤波器件的引入增加了系统的损耗,导致单频激光效率严重下降,且器件的窄带滤波特性易受腔内光功率影响,均阻碍了当前超窄线宽单频光纤激光的功率提升。此外,单频激光线宽和噪声特性具有相互耦合的特点——泵浦源的强度噪声在激光产生过程中向信号光的强度噪声转化,同时强度噪声导致的谐振腔热抖动引起单频激光频率噪声特性的劣化,造成激光线宽展宽。因此,单频光纤激光超窄线宽和超低噪声特性的实现仍需协同考虑,开展由泵浦源到激光谐振腔以及全光反馈系统的全链条噪声控制。

    • 基于稀土掺杂的多组分玻璃光纤和石英光纤分别实现了W量级和百mW量级结构紧凑的短腔型单频光纤激光器,但其输出波长仍主要集中于稀土离子典型发射峰附近,如掺镱光纤的980 nm和1064 nm,掺铒光纤的1550 nm波段以及掺铥光纤的1900 nm波段。然而,随着高性能单频光纤激光器得到越来越广泛的应用,进一步拓展单频光纤激光的输出波长以满足不同的应用需求则受到更多的关注。如远距离相干通信领域,大容量的数据传输亟需单频激光源的输出波长由传统的C波段向覆盖1.6 μm的L波段拓展。但传统石英光纤在长波方向发射截面快速下降,特别是1.6 μm波段,很难实现有效激光输出。而在高分辨光谱分析、多普勒测风雷达等领域,2 μm单频光纤激光器具有重要应用,但掺铥光纤增益峰主要在1.8~1.9 μm,难以满足前述应用领域中特定原子光谱谱线分析、远距离目标探测等需求。为此,在广泛应用需求的牵引下,激光工作波段的有效拓展成为高性能单频光纤激光器的一个重要研究方向。

      单频光纤激光波长拓展的研究工作,一方面是针对前述稀土离子的低发射截面波长,提升有源光纤本身的增益水平。如改变光纤玻璃基质组分,优化稀土离子的发光特性,在传统低发射截面波长处获得充分的激光增益,以实现单频激光在典型输出波长基础上的进一步拓展。2017年,华南理工大学C. Yang等人利用磷酸盐玻璃中铒离子在1.6 μm波段的发射截面远高于石英玻璃的特点,结合磷酸盐玻璃高稀土离子掺杂能力的优势,实现了DBR型单频光纤激光器1.6 μm处的有效发射[33]。实验中利用16 mm长、掺杂浓度为1 mol%/2 mol%的铒/镱共掺磷酸盐光纤获得了21 mW的1603 nm单频激光,斜率效率为11.6%。2021年,美国亚利桑那大学X. Zhu课题组利用钕离子在磷酸盐玻璃中发射光谱蓝移特性,搭建了基于2.5 cm长高掺钕磷酸盐光纤的915 nm单频DBR光纤激光器[34],并获得13.5 mW的单频激光输出,这是当前单频光纤振荡器输出的最短波长。

      另一方面针对稀土离子的低发射截面波长,可通过腔型结构、泵浦方式等激光器参数设计,实现激光增益特性的优化。2019年,笔者课题组利用掺铥光纤在环形长腔内>2 μm处的增益优势,结合级联多模干涉光纤滤波器件有效抑制激光在1.9 μm 波段增益,实现了基于掺铥光纤激光器的2004.9 nm单纵模激光输出,激光功率达到20.9 mW[35]。2021年,国防科技大学Y. Tao等人在5 cm长掺镱石英光纤中写入相移光栅实现了1150 nm单频光纤激光,其中有源光纤既作为DFB激光增益又为后续功率放大提供增益,使得激光阈值仅为10 mW[36]。同年,笔者课题组采用环形长腔结构实现掺铥光纤在1.7 μm 波段增益的有效积累,通过构建多个具有不同自由光谱范围的腔内光纤环增大纵模间距,实现了输出功率达1.1 W,斜率效率达46.4%的1720 nm单频光纤激光,并在后续研究工作中将该波段单频激光功率提升到2.56 W[37, 24]

      此外,利用高非线性光纤作为拉曼增益介质构成的单频拉曼光纤激光器,能够有效突破传统有源光纤对稀土离子发射谱特性的高度依赖性,开辟了单频光纤激光波长拓展的有效技术途径。如前述参考文献[7]中,S. Loranger等人通过在高非线性光纤中写入中心波长为1178 nm的π相移光栅,利用1120 nm泵浦光,实现一阶拉曼波长1178 nm处单频DFB光纤激光器,最高输出功率达300 mW。基于当前发展较为成熟的高功率光纤激光器作为泵浦源,利用光纤中THz量级的拉曼频移特性,设计由高非线性光纤构成的单频拉曼激光器,可实现单频光纤激光输出波长的大幅度拓展。

      基于稀土掺杂光纤及无源光纤器件成熟的制备工艺,单频光纤激光器在近红外波段得到了最为广泛的研究和发展。而针对激光波长进一步向长波方向拓展,位于“分子指纹区域”的中红外波段近年来逐渐成为光纤激光领域的研究热点,单频光纤激光在中红外波段的实现也取得了初步的研究进展。如2013年,澳大利亚悉尼大学的D. D. Hudson等人利用飞秒激光在20 cm长钬/镨共掺的氟化物玻璃光纤内写入光纤光栅,结合二向色镜构成激光谐振腔,实现了2914 nm单频光纤激光,激光最高输出功率为11 mW[38]。2015年,加拿大拉瓦尔大学的M. Bernier等人在20 cm高掺铒(7 mol%)氟化物玻璃光纤内写入3 cm长π相移光栅构成DFB激光器,并利用特种玻璃光纤与石英光纤的非对称熔接技术,实现了2.8 μm单频全光纤激光器,激光功率为12 mW[39]。可以发现,已报道的中红外单频光纤激光器功率水平仍然较低,系统集成性和稳定性仍需得到进一步的提升,但此后关于中红外单频光纤激光源的研究报道较少。这主要受限于中红外波段光纤器件的可及性较差、有源光纤的增益水平较低。此外,高功率下中红外光纤的热效应对单频激光稳定性的影响也是制约中红外单频光纤激光器发展的重要因素。

    • 虽然当前单频光纤振荡器的输出功率已达瓦量级,但仍远不能满足引力波探测、相干雷达以及相干合成等高功率应用场景的需求。因此,往往需要采取主振荡功率放大(MOPA)技术实现单频光纤激光的高功率输出。MOPA技术采用单频振荡器作为高性能种子源,通过搭建多级放大结构,在保持单频激光波长稳定性、窄线宽以及低噪声等优异性能的同时,实现激光功率的逐级放大。但也正是单频激光的窄线宽特性,导致其功率放大过程面临着严重的SBS效应,成为高功率单频光纤放大器的主要制约因素。对此,研究人员发展了一系列技术手段实现对单频光纤激光SBS效应的抑制,如对有源光纤施加应力和温度梯度减弱SBS效应的有效积累[40-41];针对斯托克斯光反向传输特性,利用反向泵浦方式降低斯托克斯光增益[42];设计特殊结构的“声学剪裁光纤(Acoustically tailored fiber)”获得激光模场内不同声子能量分布,抑制斯托克斯光叠加累积[43];以及采用大模场、短长度有源光纤降低SBS增益[44]等技术。

      基于此,连续光单频光纤放大器在1 µm、1.5 µm和2 µm这三个光纤激光主要工作波段的输出功率分别达到了811 W、207 W和608 W的水平[45-47]。但受限于光纤特殊结构、高功率光纤器件的可及性等因素,相应的研究工作均采用了空间光路结构,牺牲了光纤激光系统的高集成性和鲁棒性等应用优势。而随着高增益有源光纤和高功率光纤器件制备技术的快速发展,高功率全光纤单频光纤放大器的研究得到持续推进。图8总结了近年来连续光全光纤单频放大器的功率发展进程[4, 48-50]。其中,2020年国防科技大学的W. Lai等人采用如图9(a)所示的保偏锥形增益光纤率先将1 µm单频全光纤放大器的输出功率提升到500 W量级[48]。实验中功率放大级使用1.27 m锥形掺镱光纤(输入端纤芯/包层直径36.1/249.3 µm,输出端纤芯/包层直径57.8/397.3 µm),利用逐渐增加的光纤模场面积提升SBS阈值,并选取具有较高发射截面的1030 nm激光波长应对大模场光纤高功率下的MI问题,最终获得379 W线偏振单频激光以及550 W非偏振单频激光,两种情况下激光功率的进一步提升均受限于超大模场面积导致的MI效应。这也是当前高功率单频全光纤放大器发展所面临的主要问题,即利用大模场面积少模光纤提高SBS阈值的同时,引入了MI效应导致单频激光横模特性的劣化,因此,单频激光功率的进一步提升则需要综合考虑SBS和MI效应。2021年,笔者课题组提出通过级联低掺杂浓度和高掺杂浓度增益光纤的方式,减轻激光功率放大级输入端热负载,并利用976 nm和915 nm复合泵浦的方式增强激光增益饱和特性,有效提高MI阈值[49]。如图10(a)所示,实验装置中选取976 nm吸收系数为6.3 dB/m和14.2 dB/m的两款掺镱光纤分别实现低功率下降低热效应和高功率下高效放大。相比单纯使用976 nm泵浦源获得的380 W输出功率,采用976 nm和915 nm复合泵浦的方式将1064 nm单频激光放大功率提高到435 W,实验验证了复合泵浦方式对于加强增益饱和效应、提高MI阈值的有益作用,通过级联光纤长度及复合泵浦功率分配的优化有望将1064 nm单频激光功率提升到500 W量级。

      图  8  高功率单频全光纤放大器的功率发展进程

      Figure 8.  Power evolution of single-frequency fiber amplifiers in all-fiber configurations

      图  9  (a)锥形光纤纤芯半径随光纤长度变化趋势;(b)基于锥形光纤的主放大级信号功率及反向功率演化特性[48]

      Figure 9.  (a) The core radius of the tapered fiber along with the fiber length; (b) Laser output power and backward power of the main amplifier stage with tapered gain fiber[48]

      图  10  (a) 基于复合泵浦和级联光纤技术的单频掺镱光纤放大系统装置图;(b) 976 nm单独泵浦以及976 nm和915 nm复合泵浦下单频放大输出功率;(c) 单频激光功率为435 W时的光束质量[49]

      Figure 10.  (a) Experimental setup of the single-frequency all-fiber amplifier based on hybrid pump of the cascaded Yb3+-doped fibers; (b) Laser output power of the main amplifier stage under singular 976 nm pump, and 976 nm and 915 nm hybrid pump; (c) Measured beam quality of the single-frequency amplifier at the output power of 435 W[49]

      当然,可以发现当前连续波单频光纤放大器的功率水平距离千瓦级仍有一定的差距,特别是全光纤结构的千瓦级单频放大器还面临着SBS、MI、热效应处理、高功率光纤器件获取以及高功率下单频特性表征等理论和技术难题。千瓦级单频光纤激光器的实现,一方面可从光纤材料、结构设计出发,通过光纤玻璃基质组分调控,获得超低数值孔径、超大模场光纤,有效降低光纤模式容量,或利用实芯光子带隙、反谐振等结构获得大模场单模光纤,为高功率单横模运转提供空间,提升SBS和MI阈值[51-52];此外,针对单频激光高功率下的SBS效应,开展光纤横向和纵向的分布式结构设计,以降低Stokes光的增益积累,也是推进千瓦级单频光纤激光实现的有益路径[53]。另一方面,从创新理论机制出发,摆脱高功率单频激光的传统放大路径,探索窄线宽激光光谱演化机制,利用光纤中丰富的非线性效应,实现高功率下激光线宽窄化,为发展千瓦级单频激光提供新的思路[54-55]

      除了激光功率外,特定的应用场景对单频光纤激光的其他性能参数也提出了具体的要求。近年来随着引力波探测领域的快速发展,研制满足新一代引力波探测需求的高功率、低噪声单频光纤激光器成为高功率单频激光一大研究热点。2017年,德国汉诺威激光研究中心的O. D. Varona等人在百瓦级单频铒镱共掺光纤放大系统中采用940 nm泵浦源代替传统的976 nm泵浦源来降低镱离子的反转粒子数,有效抑制其在1 µm波段ASE噪声,最高输出功率条件下高达58 dB的光学信噪比仅受限于铒离子的带内ASE,而镱离子ASE远低于光谱分析仪器的灵敏度,且在1 Hz~100 kHz引力波探测频段内激光的相对功率噪声和频率噪声相较于单频种子源均未出现明显退化[56]。2019年,F. Wellmann等人针对一200 W单频掺镱光纤放大器工程化样机,系统分析了其功率、模式以及噪声特性在引力波探测领域的适用性[57]。该单频光纤激光放大系统采取模块化设计以提升可靠性、降低维护成本;近700 h的长时运转验证了其面对实际应用的高稳定性。此外,针对钠导星、测风雷达以及大气遥感等应用,特定波长的高功率单频光纤放大器也得到了相应的研究[58-60]

      在脉冲型单频光纤放大器方面,高能量和高峰值功率单频激光的获取仍然面临着严重的SBS效应的制约。尽管mJ级单脉冲能量和百kW级峰值功率这两大单频脉冲光纤放大系统里程碑的实现距今已经有近十年的时间[61-62],研究人员仍在为获取更高性能的单频脉冲光纤激光作出新的尝试。2018年,W. Lee等人采用大模场高铒镱共掺(1 wt.%Er3+/5 wt.%Yb3+)硅酸盐光纤作为多级全光纤放大系统的增益介质,将1572 nm处500 ns长脉冲单频激光的能量提升至1.8 mJ的高纪录水平[63]。其中功率放大级使用55 cm长、纤芯直径达45 µm的铒镱共掺硅酸盐光纤实现了大于10 dB的脉冲激光增益。2019年,芬兰坦佩雷大学K. Patokoski等人在百ns单频脉冲放大系统的功率放大级,采用输出端直径达49 µm的掺镱锥形光纤来有效提升SBS阈值,获得了峰值功率达4 kW,脉冲能量为0.52 mJ的1053 nm百ns单频脉冲激光[64]。而针对单频脉冲放大峰值功率与光转换效率的严重制约关系,2020年,俄罗斯科学院的M. M. Khudyakov等人提出了单掺铒光纤与铒镱共掺光纤级联的放大结构,有效避免因输入光功率水平较低导致的低信号增益和严重的ASE效应,从而获得1554 nm处160 ns单频脉冲激光3.7 kW的峰值功率,泵浦-信号光转换效率达到23.6%[65]。在ns级短脉冲单频光纤放大方面,国防科技大学和笔者课题组分别选取方形和三角形脉冲波形来解决高峰值功率下自相位调制效应引起的频谱展宽问题,结合掺镱锥形光纤在提升SBS阈值方面的优势,实现了小于10 ns近变换极限的单频短脉冲激光功率放大,脉冲激光峰值功率均达到30 kW水平[66-67]。总的来看,单频脉冲光纤放大器在脉冲能量、峰值功率水平的稳步提升,得益于对全光纤系统下单频激光时域、光谱特性以及有源光纤结构设计的综合考量。

    • 随着光纤激光技术的快速发展以及光纤器件制备技术的逐渐成熟,高性能单频光纤激光器得以进一步发展。文中对近五年来单频光纤激光振荡器和放大器的新进展进行了回顾和总结,及时捕捉单频光纤激光领域出现的新技术、新结构;对单频光纤激光在高功率/能量、窄线宽、低噪声以及波长拓展等方面性能提升的重要研究成果和技术突破进行了分析。当前,单频光纤振荡器已实现W级功率输出,Hz量级线宽以及近背景散粒强度噪声等单频激光特性得到积极探索;全光纤单频连续激光放大器的输出功率水平已突破500 W,单频脉冲激光放大器的脉冲能量接近2 mJ,峰值功率超过100 kW。单频激光功率/能量水平的进一步提升则需要综合考虑模式不稳定效应,以及受激布里渊散射、自相位调制和四波混频等多种非线性效应。针对此,开展新型光纤材料、光纤结构及激光系统设计,突破高功率下热效应及非线性效应对单频激光性能的制约,全面提升单频激光性能参数;探索单频光纤激光新型实现机制等将成为未来一段时间高性能单频光纤激光器的主要研究方向。可以预见,随着单频光纤激光技术的快速发展,单频光纤激光器的应用领域将更加广泛、应用手段也将更加丰富。这对单频光纤激光器的多参数可调及快速响应,多通道、全波段覆盖以及系统的集成能力、环境适应性和稳定性等提出了更高的要求,推动着高性能单频光纤激光器逐渐走向成熟。

参考文献 (67)

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