1.7 μm波段光纤激光器的研究综述

【概述】1.7 μm波段光纤激光具有独特的光谱特性，其激光器在激光诊断与治疗、气体探测、材料加工等领域具有重要的应用价值，国防科技大学王泽锋教授团队在最新工作中对该波段激光器研究进展进行了综述，主要分析讨论了掺杂光纤技术路线与非线性转换技术路线的特点，包括最新的基于空芯光纤的气体拉曼激光技术。

01 技术路线

该工作中总结出获得 1. 7 μm 波段激光的主要三种路径：一是通过泵浦实芯掺杂光纤，基于掺杂离子能级之间的粒子数反转获得 1. 7 μm 波段激光；二是基于实芯光纤中的非线性效应实现 1. 7 μm 波段激光输出；三是其课题组最新跟进的空芯光纤中的气体拉曼效应实现 1. 7 μm 波段激光输出。从激光获得的技术实质来看，可归为粒子数反转类和非线性转换类。

02 粒子数反转类研究进展

基于稀土离子掺杂的 1. 7 μm 波段光纤激光器所使用的掺杂光纤主要有四种：掺铥光纤（TDF）、掺铋光纤（BDF）、铥钬共掺光纤（THDF）和铥铽共掺光纤（TTDF）。其中，1. 7 μm 波段掺铥光纤激光器最为常见，其他类型增益光纤主要受制于材料的不成熟。通过优化掺铥光纤性能，英国南安普顿大学在2015年报道了基于1565nm激光泵浦的高功率1.7 μm波段掺铥光纤激光器，在1726 nm获得了12.6 W的最大输出功率，实验装置如图1所示。2019年，他们进一步优化掺铥光纤性能并提高泵浦功率，将1726 nm处激光输出功率提高至47 W。国内研究团队在1. 7 μm 波段掺铥光纤激光器研究者主要围绕窄线宽、单频、短脉冲激光产生开展了一些差异性研究。

图1 高功率全光纤1.7 μm波段掺铥光纤激光器

03 非线性效应类研究进展

目前在实芯光纤中主要基于以下几种非线性效应获得 1. 7 μm 波段激光，即受激拉曼散射（SRS）、光孤子自频移（SSFS）、四波混频（FWM），以及多种非线性效应综合作用产生的超连续谱（SC）。其中，SRS 由于阈值相对比较低，主要应用于产生连续波 1. 7 μm 波段光纤激光，而其他三种非线性效应的产生通常需要高峰值功率的脉冲泵浦，所以主要用于获得 1. 7 μm 波段脉冲光纤激光。

拉曼光纤激光器是以实芯光纤作为非线性介质，基于SRS实现能量从泵浦光到拉曼光的转换，具有高效率和高功率等优点。通过选择合适的泵浦源和拉曼增益光纤，拉曼光纤激光器在输出波长的选择上有相当大的灵活性。2011年，密歇根大学报道了首个1. 7 μm 波段拉曼光纤激光，如下图所示，在1708nm处获得了超过4W的连续激光输出。2018年，国内上光所团队通过1064nm激光泵浦拉曼光纤实现了67W的1676nm激光输出。2020年，丹麦团队还通过1117nm激光泵浦拉曼光纤实现了104W的1692nm激光输出。基于SSFS的拉曼孤子光纤激光器和基于FWM的FOPA/FOPO则在产生波长可调的超短脉冲激光方面展示出了独特的优势，前者往往工作在飞秒领域，而后者则通常工作在皮秒领域。由于拉曼孤子光纤激光器的输出功率和脉冲能量受到光纤模场面积的限制，所以一般使用LMAF作为增益光纤，但是 LMAF难以集成到全光纤系统中。

图2 基于受激拉曼散射的1.7 μm波段拉曼光纤激光器

氢气是 FGRL中最常用的气体之一，主要因为以下几点：1）氢气分子具有较高的拉曼增益，使得氢气发生SRS的阈值相对较低；2）氢气的振动拉曼频移系数较大（4155 cm-1），转动拉曼频移系数较小（587 cm-1）；3）纯净的氢气容易获得且价格低廉。2020 年，本课题组报道了一个准全光纤结构的纳秒脉冲 1. 7 μm 波段光纤氢气拉曼激光器，实验系统如图 3所示，基于脉冲1550nm泵浦激光实现了0.5W的1705nm激光输出，经过优化输出功率提升至3.3W，全光纤结构优化后（如图4所示）获得超过2.15W激光输出。该课题组在后续研究中还通过氘气获得了类似的研究成果。