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高功率连续掺铥光纤激光器研究进展及展望刘树婷1,2,3,余 婷2,3,贺振兴2,3,叶锡生2,3,戴 博1(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院,上海2 0 0 0 9 3;2.中国科学院 上海光学精密机械研究所高功率光纤激光技术实验室;3.上海市全固态激光器与应用技术重点实验室:上海2 0 1 8 0 0)摘 要:2 m高功率掺铥光纤激光器(t h u l i u m d o p e d f i b e r l a s e r s,T D F L)在激光测距、激光雷达及医疗检测等领域有重要应用。本文主要梳理了高功率连续T D F L的国内外最新研究进展,介绍了连续T D F L的发展现状,总结了高功率T D F L功率提升的主要限制因素,并从热效应、非线性效应及模式不稳定性3个方面进行了分析。最后,提出采用新型泵浦结构、优化增益光纤的结构设计、研制高品质光纤耦合器和高亮度泵浦源等方法可进一步提高2 m高功率T D F L掺铥光纤激光器的综合输出性能。关键词:掺铥光纤激光器;2 m波段;连续激光;高功率中图分类号:T N 2 4 8 文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 1 0 4收稿日期:2 0 2 2 0 8 3 0;修回日期:2 0 2 2 1 1 0 3通信作者:余婷(1 9 7 7-),女,福建福州人,正高级工程师,博士,主要从事激光及非线性频率转换技术研究。E-m a i l:y u t i n g s i o m.a c.c nR e s e a r c h P r o g r e s s a n d P r o s p e c t s o f H i g h P o w e r C o n t i n u o u s T h u l i u m D o p e d F i b e r L a s e r sL I U S h u t i n g 1 2 3 YU T i n g 2 3 HE Z h e n x i n g 2 3 Y E X i s h e n g 2 3 D A I B o1 1 S c h o o l o f O p t i c a l-E l e c t r i c a l a n d C o m p u t e r E n g i n e e r i n g U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 C h i n a 2 L a b o r a t o r y o f H i g h P o w e r F i b e r L a s e r T e c h n o l o g y S h a n g h a i I n s t i t u t e o f O p t i c s a n d F i n e M e c h a n i c s C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s 3 S h a n g h a i K e y L a b o r a t o r y o f A l l S o l i d-S t a t e L a s e r a n d A p p l i e d T e c h n i q u e s S h a n g h a i I n s t i t u t e o f O p t i c s a n dF i n e M e c h a n i c s C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e s S h a n g h a i 2 0 1 8 0 0 C h i n a A b s t r a c t T h i s p a p e r m a i n l y r e v i e w s t h e l a t e s t r e s e a r c h p r o g r e s s o f h i g h p o w e r c o n t i n u o u s t h u l i u m d o p e d f i b e r l a s e r T D F L a t h o m e a n d a b r o a d i n t r o d u c e s t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t s t a t u s o f c o n t i n u o u s T D F L s u mm a r i z e s t h e m a i n l i m i t i n g f a c t o r s f o r p o w e r i m p r o v e m e n t o f h i g h p o w e r T D F L a n d a n a l y z e s t h e m f r o m t h r e e a s p e c t s t h e r m a l e f f e c t s n o n l i n e a r e f f e c t s a n d m o d e i n s t a b i l i t y F i n a l l y i t i s p r o p o s e d t h a t t h e p e r f o r m a n c e o f 2 m h i g h p o w e r T D F L c a n b e f u r t h e r i m p r o v e d b y e x p l o r i n g a n o v e l p u m p s t r u c t u r e o p t i m i z i n g t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f g a i n f i b e r a n d d e v e l o p i n g h i g h q u a l i t y f i b e r c o u p l e r a n d h i g h b r i g h t n e s s p u m p s o u r c e s K e y w o r d s t h u l i u m-d o p e d f i b e r l a s e r 2 m b a n d c o n t i n u o u s l a s e r h i g h p o w e r 1-401020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3 铥离子的自发辐射谱覆盖1.82.1 m12,以掺铥光纤作为主要增益介质的2 m光纤激光器在许多领域有着重要的应用。在医疗手术方面,2 m掺铥光纤激光器(t h u l i u m-d o p e d f i b e r l a s e r,T D F L)的光谱波段处于人眼安全范围,具有高光束质量和高平均功率输出等特点。在该波长下进行医疗手术操作,可安全且快速精准地完成手术,且2 m波段激光在手术中具有较小的穿透深度,对所切割的生物组织伤害较小,具有出血量少等优点34;在激光探测方面,2 m波段在大气传输中具有高透过率、低散射的特性,因此,2 m T D F L可作为激光雷达的发射光源并应用于地表区域的精确测量5;2 m T D F L处于大气光传输的低损耗窗口,在光通信领域有重要的应用前景6;此外,它还可以作为中红外激光器的泵浦源以进一步实现波长更长的激光输出78。铥离子在多个波段处均有吸收,其中在7 9 0 n m波段存在强吸收,且目前该波段的高功率半导体激光器发展已比较成熟,因此常采用7 9 0 n m L D(l a s e r d i o d e)作为高功率T D F L的泵浦源。由于该波段泵浦下铥离子能级间存在交叉弛豫现象,理论上可实现2 0 0%的量子效率,因此,7 9 0 n m L D泵浦的2 m T D F L在 功 率 提 升 上 有 着 特 殊 优 势。早 期T D F L的发展受限于单模光纤的特性,输出功率仅为毫瓦级9。直到1 9 8 8年,双包层掺铥光纤的成功研制1 0,使T D F L的输出功率和效率迅速提升。与此同时半导体激光器输出功率的提升也为高功率T D F L的发展提供了基石。随后,O f f e r h a u s等1 1提出了大模场光纤的设计思路,解决了双包层光纤端面损伤的问题,T D F L的输出功率得到进一步提升。2 0世纪后期,随着高亮度半导体激光器和光纤制造工艺的发展,2 m T D F L的输出功率迅速突破千瓦量级1 2。但此后十年间发展滞缓,直到2 0 2 1年,美国空军实验室1 3报道了功率高达1 1 0 1 W的掺铥光纤激光输出。如今,2 m高功率连续T D F L的输出功率呈现出稳步提升的趋势,但当泵浦功率过高时,T D F L中非线性效应及模式不稳定性现象也会随之出现,这就对激光器输出功率的进一步提升产生了一定的影响。随着T D F L的发展,研究人员对其输出性能进行了一系列研究。2 0 1 7年,美国中佛罗里达大学S i n c o r e等1 4详细介绍了对Tm3+的光谱特性,对不同泵浦方式下高功率T D F L的主要研究成果及局限性进行了分析,并指出研究具有高交叉弛豫效率和高亮度等特性的7 9 0 n m L D泵浦的掺铥光纤,有望将T D F L的平均功率扩展至2 kW。2 0 1 8年,华中科 技 大 学 刘 茵 紫 等1 5对 高 功 率 连 续 和 脉 冲T D F L的发展和技术瓶颈进行了总结与分析,指出设计新型结构的掺铥光纤、调整泵浦方式及组束等方法可进一步提高T D F L的输出功率。2 0 2 2年,中国科学院上海光学精密机械研究所任俊杰等1 6对纳秒脉冲T D F L进行了详细介绍与技术瓶颈分析。本文主要综述了国内外在2 m波段高功率连续T D F L方面的最新研究现状,总结了T D F L功率提升的主要限制因素及改进措施,并对未来的发展趋势进行了总结与展望。1高功率连续掺铥光纤激光器的研究进展1.1国外研究现状在高 功 率T D F L的 研 究 过 程 中,I P G公 司、N u f e r n公司、Q-p e a k公司及英国南安普敦大学等单位取得了瞩目的研究成果,处于世界领先地位,连续T D F L的最高输出功率已经突破千瓦量级。2 0世纪8 0年代后期至9 0年代初期,研究人员对T D F L的研究已渐入雏形,当时使用单包层掺铥光纤作为增益介质,获得毫瓦量级的激光输出9。1 9 8 8年,双包层光纤的出现克服了光纤技术的一个重大限制,提供了将高功率泵浦光有效耦合到有源光纤的方法,使光纤激光器进入大功率时代1 0。同年,英国南安普敦大学的H a n n a等9首次报道了采用7 9 7 n m的染料激光器作为泵浦源,以长度为2 7 c m,T m3+掺杂浓度约为8.3 1 0-4的掺铥光纤作为增益介质,获得了2.7 mW的激光输出,斜效率为1 3%。1 9 9 0年,H a n n a等1 7又报道了采用1 0 6 4 n m的N d Y A G激光器作为泵浦源,以T m3+掺杂浓度为8.4 01 0-4,长度为7 0 c m的掺铥光纤作为增益介质,将T D F L的输出功率提高到了1 W量级,斜效率高达3 7%。但由于铥离子在1 0 6 4 n m泵浦时的吸收截面较小,且存在严重的激发态吸收问题,进一步提高效率较为困难。2 0世纪9 0年代中期,随着半导体激光器的发展,T D F L开始步入新征程。1 9 9 8年,英国曼彻斯特大学的J a c k s o n等1 8采用中心波长为7 9 3 n m的半导体二极管泵浦,长度为1.5 8 m,T m3+掺杂浓度为1.8 5%的双包层掺铥光纤,实现了最高功率为5.4 W的2 m激光输出,斜效率为3 1%。将半导体激光器和双包层光纤这两项技术应用到T D F L中,使输出功率得到了极大的提升,也为之后掺铥光纤的快速发展2-401020第1 4卷现 代 应 用 物 理奠定了基础。2 0 0 0年,英国南安普敦大学的H a y w a r d等1 9以7 8 7 n m的半导体激光器作为泵浦源,以长度为6 m的大模场双包层掺铥光纤作为增益介质,在双端泵浦的结构下,获得了最高功率为1 2.2 W的激光输出。斜效率为3 8%,光束质量因子M2 1.1。2 0 0 5年,悉尼大学光子技术中心2 0以7 9 3 n m半导体激光器作为泵浦源,以长度为1.8 m,Tm3+掺杂浓度为2.2%的掺铥光纤作为增益介质,实现了最高输出功率为8 5 W的2 0 4 0 n m激光输出,斜效率为5 6%。2 0 0 7年,I P G公司的M e l e s h k e v i c h等2 1报道了采用1 8个4 0 W的掺铒光纤激光器(E r-d o p e d f i b e r l a s e r,E D F L)作 为 泵 浦 源,中 心 波 长 为1 5 7 6 n m,以长度为8 m的低掺铥光纤作为增益介质,最终获得了最高功率为4 1 5 W的1 9 4 0 n m单模激光输出,发射线宽小于1 n m,光束质量因子M21.1,斜效率大于6 0%。由于E D F L的输出功率较低,在高功率下该泵浦方案需解决E D F L功率提升的难题。2 0 0 8年,高功率T D F L有了质的飞跃,Q-p e a k公司使用7 9 3 n m半导体激光器作为泵浦源,以3 5/6 2 5 m的掺铥光纤作为增益介质,获得了8 8 5 W的激光输出,斜效率为4 9.2%2 2。2 0 0 9年,N o r t h r o p G r u mm a n公司报道了输出功率超过6 0 0 W的单频、单模高功率T D F L2 3,图1为N o r t h r o p G r u mm a n公司的4级放大T D F L结构示意图。使用输出功率为3 mW、线宽为5 MH z的分布式反馈二极管激光器作为种子源,经过3级预放后将功率提升到1 5 W。主放大器使用中心波长为7 9 0 n m的半导体激光器双端 泵浦,长度为3.1 m,Tm3+掺杂浓度为4%的N u f e r n掺铥光纤,最终获得了2 0 4 0 n m处高达6 0 8 W的单频、单模激光输出。线宽小于5 MH z,光束质量因子M2约为1.0 5,斜效率达5 4%。2 0 1 0年,Q-p e a k和N u f e r n公司报道了第一台千 瓦 量 级 的T D F L1 2。图2为Q-p e a k公 司 超1 kW输 出 的 两 级 放 大T D F L结 构 示 意 图。该T D F L采 用 两 级 放 大 的 全 光 纤 主 振 荡 功 率 放 大(m a s t e r o s c i l l a t o r p o w e r a m p l i f i e r,MO P A)结构,泵浦源为1 2个半导体激光器,在2 0 4 5 n m处将输出功率提升至千瓦量级,斜效率达5 3.2%。该实验中,采用全玻璃双包层掺铥光纤作为增益光纤,激光器的热负载能力得到了显著提高,但该光纤制作困难且价格昂贵,与之匹配的光纤器件也尚未商品化。图1 N o r t h r o p G r u mm a n公司的4级放大T D F L结构示意图2 3F i g.1 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f 4-s t a g e a m p l i f i e d T D F L f r o m N o r t h r o p G r u mm a n I n c图2 Q-p e a k公司超1 k W输出的两级放大T D F L结构示意图1 2F i g.2 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f 2-s t a g e a m p l i f i e d T D F L w i t h o v e r 1 k W o u t p u t f r o m Q-p e a k I n c3-401020 刘树婷 等:高功率连续掺铥光纤激光器研究进展及展望第2期 2 0 2 1年,美国空军实验室A n d e r s o n等1 3报道了采用全光纤MO P A结构,将高亮度二极管进行合束,提 供 了 功 率 超 过2 kW的 泵 浦 光,实 现了1 9 5 0 n m处1.1 kW的 激 光 输 出。斜 效 率 为5 0.7%,光束质量因子M21.1。图3为美国空军实验室包层泵浦掺铥全光纤放大器结构示意图。这是迄今为止国际上报道的T D F L的最高输出功率。表1为国外T D F L的典型研究结果。由表1可知,随着大模场光纤的出现及半导体激光器作为泵浦源技术的发展,高功率T D F L的输出功率处于稳步 提 升 的 趋 势,目 前 国 外 最 高 输 出 功 率 已 达1.1 kW。高功率T D F L的交叉弛豫过程可为一个泵浦光子提供两个激发态电子2 4,从而提高T D F L的转换效率,交叉弛豫效率随Tm3+掺杂浓度增加而增大,但Tm3+掺杂浓度过高时,离子团簇现象会随之发生,对T D F L的性能产生影响。通常在掺铥光纤中加入A l3+,减少离子团簇现象的发生,实验证明,A l3+Tm3+掺杂浓度比大于1 0 1是防止离子团簇的理想比例2 5。由此,设计掺杂浓度约为4.0%Tm3+和 高A l3+共 掺 杂 的 掺 铥 光 纤 能 将T D F L的效率提高至4 0%以上。2 0 1 7年,S i n c o r e等1 4将已报道T D F L的Tm3+掺杂浓度与斜效率的关系进行了统计分析,统计结果表明,随着Tm3+掺杂浓度的增加,斜效率也会有所增加,当掺杂浓度大于2.0%时,转换效率超过4 0%。2 0 1 9年,英国南安普敦大学2 6对自制不同Tm/A l掺杂浓度比的掺铥光纤进行了一 系列的实验 验证,当Tm3+和A l3+的掺杂浓度分别为5.6%和6.1%时,波长为1 9 8 02 0 8 0 n m范围内,斜效率保持在约7 0%,这是目前报道的采用7 9 3 n m L D作为泵浦源的斜效率最高的T D F L。实验证实,当Tm3+掺杂浓度5%时,激光器在较长的波长下表现更好,而在2 m波段,3.5%的Tm3+掺杂浓度足以在降低光纤中热负荷的同时保持较高的斜效率。随着Tm3+掺杂浓度的增加,泵浦被充分吸收所需的光纤长度也逐渐缩短,因此,在长波情况下通常使用较长的光纤,在短波情况下通常使用较短的光纤,以获得更高斜效率的激光输出2 72 8。图3美国空军实验室包层泵浦掺铥全光纤放大器结构示意图1 3F i g.3 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f c l a d p u m p e d t h u l i u m-d o p e d a l l-f i b e r a m p l i f i e r f r o m t h e A i r F o r c e R e s e a r c h L a b o r a t o r y表1国外T D F L典型研究成果T a b.1 T y p i c a l r e s e a r c h a c h i e v e m e n t s o f T D F L a b r o a dY e a rR e s e a r c h i n s t i t u t i o nc/n mF i b e r l e n g t h/mTm3+c o n c e n t r a t i o n/1 0-2O u t p u t p o w e r/WS l o p e e f f i c i e n c y/1 0-2M21 9 8 89S O T ON 0.2 70.0 8 30.0 0 2 71 3 1 9 9 01 7S O T ON 0.70.0 8 41.3 53 7 1 9 9 81 8UOM 1.5 81.8 55.43 1 2 0 0 01 9S O T ON2 0 0 06 1 2.23 81.12 0 0 52 0U S Y D2 0 4 01.82.28 55 6 2 0 0 72 1I P G C o m p a n y1 9 4 08 4 1 56 01.12 0 0 82 2Q-p e a k C o m p a n y2 0 4 053.58 8 54 9.262 0 0 92 3N-G C o m p a n y2 0 4 03.146 0 85 41.0 52 0 1 01 2Q-p e a k C o m p a n y2 0 4 51 2 1 0 0 05 3.2 2 0 2 11 3A F R L1 9 5 09 1 1 0 15 0.71.14-401020第1 4卷现 代 应 用 物 理1.2国内研究现状受掺杂光纤拉制工艺、光纤器件成熟度及泵浦源性能等条件的限制,国内T D F L的发展较为缓慢。目前,国内进行高功率T D F L研究的单位主要有中国科学院上海光学精密机械研究所、国防科技大学、华中科技大学及江苏师范大学等。2 0 1 0年,中国科学院上海光学精密机械研究所唐玉龙等2 9采用7 9 3 n m半导体激光器作为泵浦源,采用长度为4 m,Tm3+掺杂浓度为2%的国产双包层掺铥光纤作为增益介质,在双端泵浦结构下,实现了1 5 0 W的2 0 4 0 n m激光输出,斜效率为5 6.3%,光束质量因子M2为3.5。2 0 1 3年,国防科技大学王雄等3 0报道了全光纤结构的高功率单频T D F L,图4为全光纤结构的高 功 率 单 频T D F L结 构 示 意 图。采 用 线 宽 为1 0 0 k H z的单频光纤激光器作为种子源,主放大级采用3 m长的掺铥光纤,在7 9 3 n m处吸收系数约9 d Bm-1,经三级放大后实现了1 0 2 W的1 9 7 0 n m激光输出,斜效率为5 0%。在该实验中未观测到自激振荡或非线性效应等现象。(a)P r e-a m p l i f i e r(b)M a i n a m p l i f i e r图4全光纤结构的高功率单频T D F L结构示意图F i g.4 S t r u c t u r a l d i g r a m o f h i g h p o w e r s i n g l e f r e q u e n c y T D F L w i t h a l l f i b e r s t r u c t u r e2 0 1 4年,清华大学胡震岳等3 1报道了最高输出功率为2 2 7 W的1 9 0 8 n m T D F L,实验结构示意图如图5所示。该激光器采用线型腔结构,振荡器采用2 5/4 0 0 m的双包层掺铥光纤作为增益介质,光纤长度为3 m,在7 9 0 n m处的吸收系数为4 d Bm-1,当总泵浦功率为4 4 3 W时,最高输出功率为2 2 7 W,斜效率为5 4.3%,在滤掉包层光后测得M2为1.5 6。同年,北京工业大学刘江等3 2报道了全光纤结构单频、单偏振的T D F L,采用中心波长为2 0 0 0.9 n m,功率为3.5 mW,线宽小于2 MH z的分布式反馈半导体激光器作为种子源,以2 5/4 0 0 m的保偏掺铥光纤作为增益介质,采用4级放大结构将输出功率提高至2 1 0 W,斜效率为5 3%。图5 2 2 7 W掺铥光纤直接振荡结构示意图3 1F i g.5 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f d i r e c t o s c i l l a t i o n s t r u c t u r e o f 2 2 7 W t h u l i u m-d o p e d f i b e r2 0 1 6年,北京工业大学刘江等3 3报道了最高输 出 功 率 为3 4 2 W的 全 光 纤MO P A结 构 的T D F L,实验结构如图6所示。该激光器由窄线宽T D F L种子源和两级掺铥光纤放大器组成,种子光经两级保偏掺铥光纤放大器进行功率放大,主放大级掺铥光纤的长度为7.5 m,在7 9 3 n m处吸收系数为1.8 d Bm-1,最终获得了3 4 2 W,2 0 0 0.3 n m的激光输出,斜效率为5 6%。当输出功率为3 0 0 W时,测得光束质量因子M21.1 5,在实验中未观测到受激布里渊散射(s t i m u l a t e d b r i l l o u i n s c a t t e r i n g,S B S)效应及放大自发辐射现象。图6 3 4 2 W两级MO P A结构掺铥光纤放大器结构3 3F i g.6 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f 3 4 2 W t w o-s t a g e MO P A t h u l i u m-d o p e d f i b e r a m p l i f i e r2 0 1 7年,复 旦 大 学Y a o等3 4报 道 了 全 光 纤MO P A结构的高功率窄线宽T D F L,实验装置结构如图7所示。放大部分以2 5/4 0 0 m,长为3.7 m的大模场掺铥光纤作为增益介质,在7 9 3 n m处吸收系数为4 d Bm-1。采用包层泵浦的方式,最终获得了4 0 0 W的1 9 4 1 n m激光输出,斜效率为5 3%。5-401020 刘树婷 等:高功率连续掺铥光纤激光器研究进展及展望第2期2 0 2 0年,华中科技大学刘茵紫等3 5采用7 9 3 n m半导体激光器作为泵浦源双端泵浦,采用长度为8 m,T m3+掺杂浓度为2.6%,在7 9 3 n m处吸收系数为3 d Bm-1的自研大模场掺铥光纤,实验装置结构如图8所示。采用一级振荡加两级放大的全光纤MO P A结构,获得了5 3 0 W的1 9 8 0 n m激光输出,斜效率为5 0%,当输出功率为1 0 0 W时,测得光束质量因子M2 1.3。这是目前国内公开报道实现最高输出功率的2 m波段全光纤结构激光器。表2为国内T D F L的典型研究结果。国内高功率T D F L的发展仍需关注泵浦耦合技术的提升及高掺杂浓度掺铥光纤的研制。2 0 2 0年,华中科技大学基于自研光纤获得了5 3 0 W的激光输出,这是目前国内全光纤结构T D F L已报道的最高输出功率,与国外的1.1 k W仍然有较大的差距3 5。由于高掺杂浓度掺铥光纤的研制技术的不完全发展及光纤中难以忽视的热效应,连续T D F L的功率大多维持在百瓦量级。为实现更高功率的激光输出,还需在热管理技术、研制新型掺铥光纤及提高泵浦源亮度等技术方面实现进一步的突破。在泵浦方式方面,可采用同带泵浦和级联泵浦等高效泵浦方式来降低热负载,提高激光器的效率。此外,随着2 m光纤器件的持续发展,使用光束合成技术有望实现千瓦量级以上的激光输出。图7 4 0 0 W掺T m3+全光纤MO P A系统结构3 4F i g.7 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f 4 0 0 W t h u l i u m-d o p e d a l l-f i b e r MO P A s y s t e m图8 5 3 0 W掺T m3+全光纤MO P A系统结构3 5F i g.8 S t r u c t u r a l d i a g r a m o f 5 3 0 W t h u l i u m-d o p e d a l l-f i b e r MO P A s y s t e m表2国内T D F L典型研究成果T a b.2 T y p i c a l r e s e a r c h a c h i v e m e n t s o f T D F L i n C h i n aY e a rR e s e a r c h i n s t i t u t i o nc/n mF i b e r l e n g t h/mA b s o r p t i o n c o e f f i c i e n t/(d Bm-17 9 3 n m)O u t p u t p o w e r/WS l o p e e f f i c i e n c y/1 0-2M22 0 1 02 9C A S-S I OM2 0 1 0431 5 35 6.33.52 0 1 33 0NUD T1 9 7 0391 0 25 0 2 0 1 43 1THU1 9 0 8342 2 75 4.31.5 62 0 1 43 2B J UT2 0 0 0.94.52.42 1 05 3 2 0 1 63 3B J UT2 0 0 0.37.51.83 4 25 61.1 52 0 1 73 4F D U1 9 4 13.744 0 05 3 2 0 2 03 5HU S T1 9 8 0.8 9835 3 05 01.36-401020第1 4卷现 代 应 用 物 理1.3国内外合束研究进展受限于泵浦源亮度、热效应及非线性效应等3 6,单路光纤激光的输出功率有限,光束合成技术成为突破功率限制的有效技术途径之一。光束合成技术主要分为非相干合束(i n c o h e r e n t c o m b i n i n g,I C)、光谱合束(s p e c t r a l b e a m c o m b i n i n g,S B C)和相干合束(c o h e r e n t b e a m c o m b i n i n g,C B C)3种方法。目前1 m波段合束技术已趋于成熟,早在2 0 1 4年和2 0 1 5年,美国麻省理工学院就已实现了3 4 kW和4 4 kW的激光输出3 7,但2 m波段的合束工作处于起步阶段。本节主要介绍近年来连续T D F L国内外合束工作的研究进展。2 0 1 0年,国防科技大学周朴等3 8首次使用相干合 束 技 术 对T D F L进 行 了 实 验 研 究,使 用1 5 8 0 n m的E D F L作为泵浦源,输出功率处于毫瓦量级。次年,该课题组3 9首次采用主动锁相技术中的多重抖动技术实现了两路T D F L的相干合束组合,实验 装 置 如 图9所 示。将 两 束 中 心 波 长 为1 9 4 8.6 n m的T D F L进行相干合束,输出功率达到2 0 mW。虽然该实验的输出功率有限,但这是首次基于多抖动方法的相干合束技术在2 m波段的成功应用,为后续合束工作的开展提供了经验。图9采用多重抖动技术的两路掺铥激光器相干光束组合方案F i g.9 S c h e m e o f c o h e r e n t b e a m c o m b i n a t i o n o f t w o t h u l i u m-d o p e d l a s e r s w i t h m u l t i-d i t h e r i n g t e c h n i q u e2 0 1 4年,国防科技大学王雄等4 0报道了两路T D F L的相干合束实验,使用5 0/5 0的耦合器将种子光分为两束,通过预放大级将4 0 mW的种子光放大至3 W,主放大级使用2 5/2 5 0 m,在7 9 3 n m处吸收系数为9 d Bm-1的掺铥光纤作为增益介质。在两路泵浦功率分别为1 2 0 W和1 0 5.4 W时,获得了合束功率为1 0 8 W的激光输出,斜效率为4 9%。这也进一步证实了通过合束技术获得高功率T D F L激光输出的可行性。图1 0为1 0 8 W单频连续掺铥光纤放大器的C B C系统结构。图1 0 1 0 8 W单频连续掺铥光纤放大器的C B C系统结构F i g.1 0 C B C s y s t e m s t r u c t u r e d i a g r a m o f 1 0 8 W s i n g l e f r e q u e n c y c o n t i n u o u s T D F A2 0 1 5年,美国中佛罗里达大学S h a h等4 1基于光谱合束的方式实现了2 5 3 W的激光输出,3路MO P A结 构 的 中 心 波 长 分 别 为2 0 4 6.6,2 0 4 0.7,2 0 3 4.6 n m,将MO P A 2和MO P A 3的光束依次叠加至MO P A 1的光束,最后获得了2 5 3 W的激光输出,斜效率为4 0%,M21 2 W s i n g l e-m o d e o u t p u t a t 2 m C C o n f e r e n c e o n L a s e r s a n d E l e c t r o-O p t i c s 2 0 0 0 S a n F r a n c i s c o 2 0 0 0 2 0 F R I TH G P L AN C A S T E R D G J A C K S ON S D 8 5 W Tm3+d o p e d s i l i c a f i b r e l a s e r p u m p e d a t 7 9 3 n m C L a s e r s a n d E l e c t r o-O p t i c s S o c i e t y A n n u a l M e e t i n g S y d n e y 2 0 0 5 2 1 ME L E S HK E V I C H M P L A T ONOV N GA P ON T S E V D e t a l 4 1 5 W s i n g l e-m o d e CW t h u l i u m f i b e r l a s e r i n a l l-f i b e r f o r m a t C T h e E u r o p e a n C o n f e r e n c e o n L a s e r s a n d E l e c t r o-O p t i c s 2 0 0 7 M u n i c h 2 0 0 7 2 2 MOU L T ON P F P o w e r s c a l i n g o f h i g h-e f f i c i e n c y Tm-d o p e d f i b e r l a s e r s C S P R C 2 0 0 8 A n n u a l S y m p o s i u m S a n F r a n c i s c o 2 0 0 8 2 3 GOO D NO G D B OOK L D R O THE N B E R G J E L o w-p h a s e-n o i s e s i n g l e-f r e q u e n c y s i n g l e-m o d e 6 0 8 W t h u l i u m f i b e r a m p l i f i e r J O p t L e t t 2 0 0 9 3 4 8 1 2 0 4 1 2 0 6 2 4 J A C K S ON S D C r o s s r e l a x a t i o n a n d e n e r g y t r a n s f e r u p c o n v e r s i o n p r o c e s s e s r e l e