西安光机所 | MOPA结构实现瓦级1.7 μm波段短脉冲光纤激光

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应用广泛的1.7 μm波段激光

1.7 μm波段激光具有独特的光谱特性，镝离子、碳氢键等的吸收谱线都位于此波段，并且此波段还是生物组织的透明窗口，因此1.7 μm波段激光在气体探测、材料加工、生物成像以及泵浦产生中红外激光等方面都具有广泛的应用价值。1.7 μm波段短脉冲激光尤其适合于光谱声光成像、光学相干层析成像以及4.3 μm掺镝光纤激光器的泵浦。

目前1.7 μm波段短脉冲激光主要由光纤光参量振荡器、拉曼光纤激光器和掺铥光纤激光器实现。光纤光参量振荡器结构复杂，条件严格；拉曼光纤激光器高的阈值需要高功率泵浦、长的光纤长度、复杂的空芯光纤结构以及复杂的多个光纤光栅对。掺铥光纤激光器在连续光输出方面技术已取得显著进展，但短脉冲激光技术研究近来才开始获得关注，功率、脉冲能量以及脉冲宽度等方面仍有研究空间。增益调制和调Q技术是实现短脉冲激光的两种主要方案，目前缺少合适的调Q器件导致其调Q 1.7 μm光纤激光鲜有报道，而增益调制激光器具有结构简单、激光参数易于调控等优势获得关注，因此近年来增益调制掺铥光纤激光技术是实现1.7 μm波段短脉冲激光的主要方式。

近日，西安光机所瞬态光学与光子技术国家重点实验室光子功能材料与器件研究室采用1550 nm脉冲光纤光源泵浦掺铥光纤主振荡功率放大器(master oscillator power amplifier, MOPA)成功地实现了1.7 μm短脉冲激光的输出，首次观察到了功率淬灭和类锁模现象，除此之外还观察到丰富的非线性现象。实验探索了腔体结构对激光特性的影响。光纤放大器成功实现了瓦级短脉冲1.7 μm激光的输出。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第6期。

(Yang Xiao, Xusheng Xiao, Lutao Liu, Haitao Guo. Gain-switched watt-level thulium-doped fiber laser and amplifier operating at 1.7 μm[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(6): 06000e40)。

增益调制瓦级1.7 μm波段掺铥光纤激光器和光纤放大器

该光纤激光器的结构如图1所示，包括1550 nm铒镱共掺光纤MOPA、环形腔1.7 μm种子光源、线性腔1.7 μm种子光源、1.7 μm掺铥光纤放大器四部分。

图1 1550 nm泵浦的1.7 μm掺铥光纤MOPA

研究发现h型1550 nm脉冲泵浦环形腔掺铥光纤激光器时，1.7 μm激光存在功率饱和、功率淬灭和类锁模运转的现象，如下图2所示。归因于激光模拍效应，类锁模脉冲在线性腔中同样存在。环形腔中，类锁模亚脉冲宽度为3 ns，亚脉冲主要集中在主（增益调制）脉冲的上升沿。增益脉冲开始出现时，多个模式光耦合，强度较大；在主脉冲快结束时，耦合模式变少。Swiderski 和 Michalska报道过相似的现象。

图2 1550 nm脉冲泵浦的环形腔1.7 μm掺铥光纤激光器功率随泵浦功率变化

简单来说，这种类锁模的原理是高强度的亚脉冲被自相位调制，造成时间变化的相移，进而造成对称的光谱展宽。一旦光谱宽度和激光模式间隔比拟或甚至更宽，纵模会发生干涉，形成模拍。在时域和功率上，线性腔结构的激光器输出的1.7 μm短脉冲激光都不稳定。泵浦平均功率几乎不变时，增加泵浦重复频率和脉冲宽度，功率饱和功率淬灭现象可以在一定程度上被抑制。时域上观察到功率饱和情况下激光器存在类锁模脉冲的运转。除此之外，通过将光纤滤波器移动到光纤输出耦合器后，来直接监测输出光频率成分发现了丰富的非线性现象，在1.8 μm以后波段实现了超连续谱，如图3所示。它们的产生可能由高峰值功率的类锁模脉冲触发一系列非线性效应。可见光纤滤波器对类锁模脉冲运转和非线性的抑制起到关键作用。值得注意的是，这种环形腔掺铥光纤激光器结构设计为实现光纤超连续谱提供了一种思路：减小泵浦重复频率和泵浦脉冲宽度可能会提高1.7 μm光向超连续光的能量转化效率。

图3 1550 nm脉冲泵浦的环形腔1.7 μm掺铥光纤内光谱成分

一直以来，由于饱和吸收和重吸收的问题，1.7 μm激光器受限于低的转换效率，光纤放大器更加容易造成激光的重吸收。研究人员将1.7 μm脉冲种子激光注入掺铥光纤放大器，获得1.687 W、对应效率为19.7%、单脉冲能量为16.87 µJ、脉冲宽度为425 ns、重复频率为100 kHz、峰值功率为39.69 W的短脉冲激光，如图4所示。结果表明进一步提高种子激光功率可能有利于提升脉冲激光放大效率；没有看到功率饱和趋势，说明进一步增加泵浦有可能持续增加激光功率。这是首个成功用功率放大技术实现瓦级脉冲激光的报道。

图4 1.7 μm掺铥光纤放大器输出激光特性

前沿展望

该系统有望未来用于光谱声光成像、光学相干层析成像及增加泵浦脉冲能量和优化重复频率等参数进一步增加1.7 μm激光功率和单脉冲能量，以满足更多应用场景。

作者介绍

肖扬，中国科学院西安光学精密机械研究所光学专业博士生，导师为郭海涛研究员。主要从事中红外光纤激光技术研究。以第一作者发表期刊论文5篇，合作发表期刊论文1篇。

中国科学院西安光学精密机械研究所 

论文共同通讯作者，主要研究方向：中红外光纤器件及激光技术

肖旭升，西安光学精密机械研究所副研究员、硕士生导师，入选“中国科学院青年创新促进会计划”。主要研究方向为中红外光纤器件及激光技术，在Optics letter、High Power Laser Science and Engineering等期刊上发表论文30多篇，申请和授权发明专利20余项，目前主持和承担了国家自然科学基金青年项目/重大项目子课题等项目10余项。

刘路焘，中国科学院西安光学精密机械研究所光学专业博士生，导师为郭海涛研究员。主要从事激光-玻璃材料相互作用和红外光纤光栅制备技术研究。以第一作者发表期刊论文3篇，合作发表期刊论文十余篇。

中国科学院西安光学精密机械研究所

论文共同通讯作者，主要研究方向：中红外特种玻璃光纤和光纤器件

郭海涛，研究员，博士生导师。现任中科院西安光机所光子功能材料与器件研究室主任、中国光学学会纤维光学与集成光学专业委员会秘书长。主要从事特种玻璃光纤和光纤器件方面的研究，取得了多项具有重要科学和应用价值的研究成果。曾获陕西省科学院科技进步一等奖、中国硅酸盐学会建筑科学技术一等奖。中科院“创新交叉团队”负责人，入选陕西省“杰出青年科学基金”、中科院“西部之光联合学者”等人才计划。在Optics letter、optics express等SCI期刊上发表论文80余篇，申请专利25项，授权专利14项。编辑 | 周琦雅

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