高性能单频光纤激光器研究进展:2017-2021(特邀)

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。

基于锯齿波脉冲抑制自相位调制的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器

报道了基于锯齿波脉冲抑制自相位调制(SPM)的高功率窄线宽单频脉冲光纤激光放大器.通过优化掺镱(Yb)石英有源光纤的长度,在保证输出功率和转换效率的同时提高单频光纤激光放大器中的受激布里渊散射阈值,并采用脉冲波形为锯齿波的种子光,利用其光强对时间的变化率为常数的特性有效抑制了SPM效应导致的激光光谱展宽现象.主放大级泵浦功率为11.3 W时获得了平均输出功率为3.13 W、脉冲重复频率为20 k Hz的1064 nm单频激光输出;此时脉冲宽度为6.5 ns,对应峰值功率为24 k W,测得光谱线宽仅为83 MHz,接近变换极限水平.与采用常规高斯波形脉冲种子光的对照实验相比,锯齿波形脉冲对SPM所致的光谱展宽具有显著抑制效果,为高功率窄线宽脉冲光纤激光放大器提供了一种行之有效的方法.

太赫兹双芯反谐振光纤的设计及其耦合特性

设计了一种新型的太赫兹双芯反谐振光纤,利用有限元分析法对光纤的损耗特性、双芯之间的耦合特性等进行了理论分析.结果表明,单芯反谐振光纤在一定范围内改变内包层管的排列分布,其传输特性并不会受到明显的影响,据此可以改变双芯光纤的内包层管的排列分布,从而利用模式泄漏耦合机制在太赫兹波段实现双芯反谐振光纤的定向耦合.本文通过改变纤芯距离和纤芯间的间隙大小,在2.5 THz的传输频率下实现了耦合长度为0.72 m的定向耦合,这种太赫兹双芯反谐振光纤将在太赫兹光开关、调制器和耦合器等太赫兹光学器件中具有重要的应用价值.

新型高掺铥硅酸盐玻璃光纤及其光纤激光的研究

具有高稀土离子掺杂浓度的有源光纤一直以来是高性能单频光纤激光器的核心,选用硅酸盐玻璃材料制作高掺杂有源光纤可以有效提升光纤增益。通过高温熔融工艺制备了铥离子掺杂浓度为8 wt.%的高掺杂硅酸盐玻璃,测试了其光谱特性和荧光寿命,并根据McCumber理论计算玻璃的受激发射截面。采用管棒法制备光纤预制棒,拉制出尺寸为7/125μm的高掺铥硅酸盐玻璃光纤。基于低损耗的异质光纤熔接,测试了该光纤的增益特性,并分别采用2 cm和8 cm的新型掺铥光纤搭建线形腔光纤激光器,获得百毫瓦的1 950 nm激光输出。研究表明,在8 wt.%的高浓度掺杂下,铥离子在文中的新型硅酸盐光纤基质中具备良好的发光能力,这种国产高掺杂玻璃光纤在实现高性能单频光纤激光器方面具有明显优势。

二氧化钒相变对太赫兹反谐振光纤谐振特性的影响及其应用

利用有限元分析软件COMSOL模拟包层管内壁涂敷有二氧化钒的太赫兹反谐振光纤,研究二氧化钒的相变对反谐振光纤传输特性的影响.研究表明,在太赫兹波段,二氧化钒的相变会促使反谐振光纤的反谐振周期发生极大的改变,在此过程中,光纤包层管对入射光束的作用效果由反谐振状态变为谐振状态,在不改变反谐振光纤结构的情况下,仅通过控制二氧化钒的相变即可实现对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的有效调控.二氧化钒相变对反谐振光纤的这种调控效果在太赫兹调控器件领域有很广泛的应用前景,基于涂敷二氧化钒的反谐振光纤,本文提出一种太赫兹光开关及一种偏振调控器.其中,在波长为120μm处,光开关处于不同状态时对应的光纤损耗分别为0.5 dB/m与110 dB/m,并且通过激励光源诱导二氧化钒发生快速相变,有望实现快速光开关.在偏振调控器中,可以对反谐振光纤纤芯中太赫兹波的偏振状态以及偏振方向进行控制,偏振状态下光纤的双折射系数大于1.4×10^(-4).

Single-mode antiresonant terahertz fiber based on mode coupling between core and cladding

Based on the index-induced mode coupling between the higher-order mode in core and the fundamental mode in cladding tubes,the single-mode operation can be realized in any antiresonant fibers(ARFs)when satisfying that the area ratio of cladding tube and core is about 0.46:1,and this area ratio also should be modified according to the shape and the number of cladding tubes.In the ARF with nodal core boundary,the mode in core also can couple with the mode in the wall of core boundary,which can further enhance the suppression of high-order mode.Accordingly,an ARF with conjoint semi-elliptical cladding tubes realizes a loss of higher-order mode larger than 30 dB/m;simultaneously,a loss of fundamental mode loss less than 0.4 dB/m.

基于可饱和吸收体的700 mW单频2.05μm线性腔铥钬共掺光纤激光器

报道了基于掺铥光纤可饱和吸收体的单频2.05μm线性腔铥钬共掺全光纤振荡器。腔内采用4.6 m长的铥钬共掺光纤作为增益介质,并利用未被泵浦的掺铥光纤作为可饱和吸收体实现选频,通过调整可饱和吸收体的长度可优化选频能力。在3.5 W的1570 nm激光泵浦下,获得了最高714 mW的2048.6 nm单频激光输出,相应的斜率效率为25.1%,激光光谱线宽为17 kHz。

高峰值功率掺Yb^(3+)石英光纤脉冲单频MOPA

报道了基于掺Yb^(3+)石英有源光纤的高峰值功率脉冲单频激光主振荡功率放大器(MOPA)。实验研究了主放大器中有源光纤长度对脉冲单频激光峰值功率、受激布里渊散射(SBS)阈值和光-光转换效率的影响,为优化激光器的转换效率和抑制SBS效应提供了依据。当使用的有源光纤长度为0.9 m时,21 W泵浦功率下脉冲宽度为2.4 ns、重复频率为20 kHz的1064.4 nm脉冲单频激光的平均输出功率为4.37 W,且没有明显的连续波放大自发辐射(ASE)成分,对应的单脉冲能量为0.22 mJ,峰值功率可达91 kW。最大输出功率时脉冲单频激光光谱线宽为279 MHz,光信噪比为45 dB,光束质量因子M2为1.44。

0.59mJ单频掺Yb^(3+)百纳秒脉冲全光纤激光器

报道了基于混合增益光纤实现的1064 nm高能量单频掺Yb^(3+)百纳秒脉冲全光纤激光器。当主放大级的泵浦功率为13 W时,获得了最大0.59 mJ的脉冲能量,重复频率为5 kHz,脉冲宽度为104 ns。主放大级采用芯径分别为35μm和50μm的掺Yb^(3+)光纤级联作为增益介质,以此来提高受激布里渊散射阈值和激光信噪比。为了保证转换效率,对有源光纤长度和盘绕方式进行了优化,实现了较好的光束质量,最大脉冲能量时光束质量为1.50,光谱线宽为40 MHz。