高功率摻鐿光纖激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、輸出亮度高、結(jié)構(gòu)緊湊靈活、熱管理簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢，已成為眾多高功率激光系統(tǒng)優(yōu)選光源之一，在工業(yè)、醫(yī)療、科研、**等方面獲得了越來越廣泛的應用。

　　高功率光纖激光器技術(shù)是當今世界科技強國競相發(fā)展的重要技術(shù)之一，而其泵浦方案更是高功率光纖激光領域重要的研究熱點。目前泵浦方案分為直接泵浦(direct pumping)和級聯(lián)泵浦(tandem pumping)兩類。級聯(lián)泵浦指用激光泵浦激光，即激光在光光轉(zhuǎn)化過程中的多次級聯(lián)(圖1)。直接泵浦則指整個系統(tǒng)僅有一次主要的光光轉(zhuǎn)化過程，直接由泵浦光產(chǎn)生最終輸出的激光。

　　圖1 級聯(lián)泵浦高功率摻鐿光纖激光器原理圖

　　對于摻鐿光纖激光器，直接泵浦常用波長在915 nm或976 nm附近的半導體激光器作為泵浦光源;而級聯(lián)泵浦則常用波長在1000 nm以上的光纖激光器作為泵浦光源。

　　級聯(lián)泵浦分散了整個激光轉(zhuǎn)換過程中的量子虧損，因而系統(tǒng)具有低熱負載的特點，有利于產(chǎn)生更高功率的光纖激光。目前，級聯(lián)泵浦已應用于傳統(tǒng)波長的摻鐿光纖激光、隨機激光、拉曼激光等各類光纖激光系統(tǒng)中，獲得了突出的性能表現(xiàn)，發(fā)掘出了高功率摻鐿光纖激光的巨大潛力。

　　清華大學高功率光纖激光研究團隊肖起榕副教授和閆平教授等人針對級聯(lián)泵浦的高功率摻鐿光纖激光器技術(shù)進展進行了總結(jié)和展望。

　　關鍵技術(shù)進展

　　1、級聯(lián)泵浦用高功率1018 nm光纖激光器進展

　　高功率1018 nm光纖激光器是用于級聯(lián)泵浦摻鐿光纖激光器的主流光源，這一泵浦波長權(quán)衡了技術(shù)難度與泵浦效益兩方面的需求。

　　目前的高功率1018 nm光纖激光器主要關注的性能指標有功率、亮度(對光束質(zhì)量和功率的整體評價)、ASE抑制比等，其中更加重視亮度的提升。這是因為泵浦注入光纖的能力逐漸成為瓶頸因素，而1018 nm光纖激光的亮度提升使得更多的泵浦光能夠注入更細的增益光纖，甚至允許高功率纖芯泵浦，其綜合效益超過單純增加泵浦功率。

　　早期，1018 nm光纖激光器的實際亮度水平均在80 W/(μm2﹒sr)以下，ASE與信號強度差值僅為30～40 dB。2015年，亮度提升至130～170 W/(μm2﹒sr)。

　　本文作者團隊先后于2017年和2018年將輸出功率提升至805 W和1150 W，亮度達到240 W/(μm2﹒sr)和289 W/(μm2﹒sr)，且光光效率可達82.9%(圖2)。

　　2020年，美國IPG公司報道了1300 W輸出功率，亮度達到1100 W/(μm2﹒sr)，充分說明1018 nm光纖激光器的性能已經(jīng)得到極大的提升。

　　圖2 高功率1018 nm光纖激光器。(a)用非鎖波長LD泵浦30/250 μm光纖實現(xiàn)805 W、240 W/(μm2﹒sr)輸出;(b)雙向泵浦30/250 μm光纖實現(xiàn)1150 W、289 W/(μm2﹒sr)輸出

　　1018 nm光纖激光器的性能提升限制因素主要是放大自發(fā)輻射(ASE)效應。傳統(tǒng)技術(shù)主要從削減增益光纖長度、提升芯包比兩個角度進行優(yōu)化。

　　本文作者團隊通過抑制光纖內(nèi)反射造成的ASE反饋機制，在500 W輸出功率下達到了53 dB的ASE抑制比與86.5%的的光光效率[圖3(c)]，實現(xiàn)了良好的ASE抑制效果。通過創(chuàng)新激光增益構(gòu)型設計，獲得了比傳統(tǒng)構(gòu)型60%的亮度提升[圖3(d)]。

　　圖3 抑制ASE和寄生振蕩的方法。(a)環(huán)形摻雜光纖;(b)光纖橫截面折射率分布;(c)ASE的光纖內(nèi)后向反饋機制、抑制后向光內(nèi)反射的裝置以及實施效果;(d)混合結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)振蕩器結(jié)構(gòu)的概念對比以及控制變量實驗效果對比

　　2、級聯(lián)泵浦高功率摻鐿雙包層光纖激光器

　　對于固定波長的摻鐿雙包層光纖激光器，用1018 nm泵浦的常見輸出波長大約在1050 nm至1100 nm之間。自美國IPG公司2009年公開報道其萬瓦激光產(chǎn)品以來，以1018 nm泵浦的高功率光纖激光報道逐漸增多，并且近年來國內(nèi)報道功率呈態(tài)勢。

　　級聯(lián)泵浦的應用大幅提升了光纖激光器的功率和亮度水平。除了備受關注的極低的分布熱負載優(yōu)勢之外，高功率1018 nm光纖激光器還帶給級聯(lián)泵浦系統(tǒng)兩個主要的影響：

　　一方面，由于鐿離子對1018 nm激光的吸收系數(shù)較小，級聯(lián)泵浦系統(tǒng)的摻鐿光纖通常都比較長，這降低了非線性效應(如SRS等)以及ASE致寄生振蕩的閾值。

　　但是另一方面，高功率1018 nm光纖激光器帶來了明顯的泵浦亮度提升，增益光纖可以采用許多在直接泵浦配置下難以實現(xiàn)的創(chuàng)新設計，如直徑更小的包層結(jié)構(gòu)、新的泵浦耦合方式等，這不僅可以補償吸收系數(shù)的劣勢，還更有可能獲得突破性的性能提升。

　　1018 nm級聯(lián)泵浦的光纖激光器的主要限制因素之一是受激拉曼散射(SRS)效應。本文作者團隊于2018年和2019年相繼報道了1080 nm處5448 W[圖4(a)]和1070 nm處5220 W[圖4(b)]功率輸出。

　　2019年，國防科技大學團隊報道了使用啁啾傾斜光柵抑制SRS效應，在1080 nm中心波長功率達到4.2 kW時，M2可達1.8.通過插入啁啾傾斜光柵獲得大于15 dB的SRS抑制，最終輸出中心波長與SRS的信噪比提升至30 dB[圖4(c)]。

　　圖4 1018 nm光纖激光級聯(lián)泵浦的高功率摻鐿雙包層光纖激光器(I)。(a)用30/250-μm摻鐿雙包層光纖實現(xiàn)5448 W的1080 nm輸出;(b)國產(chǎn)30/250-μm 摻鐿雙包層光纖實現(xiàn)5220 W的1070 nm輸出;(c)國防科技大學團隊用啁啾傾斜光柵實現(xiàn)4.2 kW的1080 nm輸出

　　級聯(lián)泵浦高功率光纖激光器的增益光纖國產(chǎn)化進展喜人。2020年，中國工程物理研究院團隊制備的50/400 μm國產(chǎn)摻鐿雙包層光纖實現(xiàn)了1018 nm級聯(lián)泵浦下9.82 kW功率輸出。

　　同年，本文作者團隊采用中國科學院上海光機所制備的國產(chǎn)50/350/400 μm 摻鐿三包層光纖實現(xiàn)了1018 nm級聯(lián)泵浦下的9.01 kW功率輸出，斜率效率達80.5%[圖5(a)];采用中國電子科技集團公司第四十六研究所制備的國產(chǎn)摻鐿雙包層光纖，實現(xiàn)了13.9 kW激光輸出，斜率效率87.0%;采用中國工程物理研究院化學材料所高功率光纖激光所地聯(lián)合創(chuàng)新中心制備的國產(chǎn)摻鐿雙包層光纖，相繼實現(xiàn)了10 kW和20 kW激光輸出，斜率效率均大于83%[圖5(b)]。

　　圖5 1018 nm光纖激光級聯(lián)泵浦的高功率摻鐿雙包層光纖激光器(II)。(a)國產(chǎn)50/350/400 μm 摻鐿三包層光纖實現(xiàn)9.01 kW的1080 nm輸出;(b)國產(chǎn)摻鐿雙包層光纖實現(xiàn)20 kW輸出文

　　3、級聯(lián)泵浦高功率隨機光纖激光器

　　抑制功率提升過程中的光譜亮度劣化，是高功率光纖激光器的重要研究目標。

　　級聯(lián)泵浦的高功率隨機光纖激光器依靠增益介質(zhì)(光纖)內(nèi)的隨機散射來提供諧振反饋，使得輸出光具有時域穩(wěn)定性和光譜不展寬(少展寬)等優(yōu)勢。相比其他類型的隨機激光器，隨機光纖激光利用光纖波導的一維方向性，將隨機反饋的方向限定在很窄的空間角度內(nèi)，從而極大降低激光輸出閾值，并有的光束質(zhì)量。

　　2017年的隨機光纖激光器功率水平在1 kW左右;采用級聯(lián)泵浦MOPA結(jié)構(gòu)放大是進一步提高隨機光纖激光輸出功率的有效途徑。

　　國防科技大學團隊2019年報道了三級放大的1080 nm處3.03 kW隨機光纖激光器，3 dB帶寬為2.88 nm[圖6(a)]。

　　同年，本文作者團隊用1018 nm光纖激光器纖芯泵浦的隨機光纖激光振蕩器作為種子源，經(jīng)兩級放大后獲得了1064 nm處4020 W的隨機激光輸出，光光效率達88.5%，3 dB帶寬始終維持在1 nm以內(nèi)[圖6(b)]。

　　圖6 級聯(lián)泵浦高功率隨機光纖激光器。(a)3 kW系統(tǒng)的隨機光纖種子與三級放大實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及相應光譜演化;(b)4 kW系統(tǒng)的隨機光纖種子與兩級放大實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，以及相應光譜演化

　　抑制放大級中SRS效應是級聯(lián)泵浦隨機光纖激光器功率提升亟待解決的問題。

　　2021年，本文作者團隊報道了使用帶通濾波器過濾種子光源譜域外自發(fā)輻射噪聲的級聯(lián)泵浦隨機光纖激光器，1070 nm處最高輸出功率達5.1 kW，光光效率為89.0%，拉曼抑制比可達27 dB。對比實驗表明，拉曼抑制比提高了16 dB(圖7)，表明譜域外噪聲濾波的方案有效抑制了級聯(lián)泵浦的隨機光纖激光器中的SRS效應。

　　圖7 用帶通濾波器抑制SRS的級聯(lián)泵浦5 kW隨機光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功率、線寬和光譜演化

　　4、級聯(lián)泵浦高功率拉曼光纖激光器

　　為了滿足摻鐿光纖激光器在遠距離遙感、光譜合成等領域的應用，迫切需要拓寬其輸出波長范圍。

　　高功率拉曼光纖激光器利用增益介質(zhì)(光纖)中的SRS效應，使高功率密度的激光波長發(fā)生SRS頻移;通過級聯(lián)SRS增益，輸出波長范圍可拓展至1.2 μm以上。因為作用介質(zhì)(光纖)長度越長，SRS發(fā)生的閾值越低，級聯(lián)泵浦為充分吸收泵浦光所需的較長增益光纖長度恰好為拉曼增益提供了良好的條件，因此級聯(lián)泵浦也是產(chǎn)生高功率拉曼光纖激光的優(yōu)選方案。

　　拉曼增益需要高光譜功率密度和高空間亮度的激光作為泵浦。2020年，國防科技大學團隊報道了基于特制的31/55.55/360 μm三包層光纖包層泵浦拉曼放大器，該光纖內(nèi)包層面積與纖芯面積之比低至3.2.其泵浦源為1080 nm光纖激光器，在2365 W的泵浦功率下，最終輸出激光功率為1925.8 W，其中纖芯中1130 nm拉曼激光功率為762.6 W，轉(zhuǎn)換效率為31.5%。

　　混合增益可以提高拉曼光轉(zhuǎn)化效率?；旌显鲆媸侵冈谕欢喂饫w中，既進行著SRS增益過程，還進行著稀土離子轉(zhuǎn)換激光增益過程。調(diào)整拉曼增益與鐿離子增益的比例(調(diào)整對應的光纖長度)，就可調(diào)節(jié)拉曼波長及其它輸出特性。

　　2016年，本文作者團隊用雙向LD直接泵浦，在1122.8 nm處混合增益輸出功率為3.89 kW，光光效率為70.9%，3 dB帶寬為10.6 nm，該功率為當時已報道的最高輸出功率(圖8)。

　　圖8 雙向LD泵浦MOPA結(jié)構(gòu)3.89 kW混合增益拉曼光纖激光器示意圖、功率及光譜

　　2019年，作者團隊進一步報道了正向1018 nm光纖激光器級聯(lián)泵浦與后向976 nm LD直接泵浦的混合泵浦混合增益拉曼激光，總輸出功率為4290 W，1121.9 nm處拉曼激光功率為3700 W，3 dB帶寬為5.2 nm[圖9(a)]。此外，還通過級聯(lián)拉曼進一步實現(xiàn)了1500 W的1187 nm拉曼光纖激光輸出。

　　圖9 級聯(lián)泵浦高功率拉曼光纖激光器。(a)1018 nm和LD混合雙向泵浦3.7 kW混合增益拉曼光纖激光器示意圖、功率和光譜;(b)1018 nm級聯(lián)泵浦5 kW混合增益拉曼光纖激光器結(jié)構(gòu)、功率和光譜

　　為了獲得充足的級聯(lián)拉曼增益而延長摻鐿光纖長度，恰好能適應1018 nm級聯(lián)泵浦吸收系數(shù)較小的特點。

　　2020年，國防科技大學團隊報道了1018 nm級聯(lián)泵浦的混合增益拉曼光纖激光器，1150 nm處輸出功率達1338 W。

　　同年，本文作者團隊基于多波長主振蕩器，以1018 nm級聯(lián)泵浦混合增益實現(xiàn)高功率拉曼光纖激光輸出，泵浦功率為6720 W，拉曼波段輸出功率占比5172 W，光光效率為76.9%[圖9(b)]。

　　結(jié)論與展望

　　1、在提升功率和空間亮度方面，用以1018 nm為代表的高功率短波長光纖激光源進行級聯(lián)泵浦成效優(yōu)異。

　　級聯(lián)泵浦的高泵浦亮度提供了靈活的系統(tǒng)設計空間。然而，要獲得高亮度1018 nm光纖激光，同樣需要從光纖、器件和系統(tǒng)層面上引入新的設計，降低1018 nm激光的重吸收和ASE波段的光纖內(nèi)反饋，改進光纖激光器的系統(tǒng)構(gòu)型以合理分配沿光纖的激光效益分布。

　　對于級聯(lián)泵浦的高功率光纖激光器，則要針對級聯(lián)泵浦的特點，一方面采取拉曼濾波措施，如使用啁啾傾斜光柵等，另一方面還應優(yōu)化增益光纖設計，優(yōu)化摻雜元素組分和工藝、折射率分布、模場尺寸和分布，提升吸收系數(shù)和光束質(zhì)量，提高光纖激光系統(tǒng)性能;此外，還可以采取抗損傷特性更優(yōu)異的三包層光纖等設計，提升光纖激光系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，最終獲得萬瓦甚至數(shù)萬瓦的功率輸出。

　　2、在控制光譜性質(zhì)方面，級聯(lián)泵浦的高功率隨機光纖激光器是控制光譜展寬和光場時域不穩(wěn)定性的有效技術(shù)方案，能夠獲得比傳統(tǒng)固定腔激光器時域更穩(wěn)定的高功率輸出。

　　同時，通過有針對性地采取抑制SRS效應、譜域外濾波、泵浦結(jié)構(gòu)優(yōu)化等措施，可以顯著提升隨機光纖激光光譜亮度。

　　3、在拓展輸出波長范圍方面，級聯(lián)泵浦的高功率拉曼光纖激光器可以將波長拓展至1.2 µm波段并實現(xiàn)千瓦乃至萬瓦級的功率輸出，為光譜合成的功率提升奠定了基礎。

　　通過增益混合結(jié)構(gòu)中有源和無源光纖的參數(shù)配合，可實現(xiàn)更高效益的激光輸出。

　　級聯(lián)泵浦還可通過在鉺鐿共摻光纖激光中的應用，將波長拓展到大于1.5 µm波段并實現(xiàn)百瓦級的輸出，為通信、智能物聯(lián)網(wǎng)等領域提供優(yōu)質(zhì)激光，甚至進一步級聯(lián)泵浦摻銩、摻鈥光纖激光等，實現(xiàn)更高功率的中紅外波段輸出，助力醫(yī)療等領域邁上更高水平。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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