高功率超短脉冲激光器在工业、科研和**等领域有着广泛应用。光纤-固体混合放大技术将光纤激光器的光束质量好、单程增益大、散热性好等优势和单晶光纤/棒状(块状)固体放大器的脉冲峰值功率高、非线性效应弱等优势结合,是实现结构紧凑、稳定性好、成本低的高峰值功率、大能量超短脉冲激光器的有效手段。总结了近年来1 μm波段掺镱光纤激光器、光子晶体光纤放大器、单晶光纤放大器和棒状(块状)固体放大器的国内外研究进展,重点介绍了本课题组在高功率超短脉冲光纤激光器、光子晶体光纤与固体放大器等领域的工作,同时探讨并展望了光纤-固体混合放大技术未来的发展方向。

超短脉冲光纤激光器在工业、医学、科研等许多领域有着重要的应用。报道了基于全保偏非线性放大环形镜(NALM, nonlinear amplifying loop mirror)锁模的掺镱光纤激光器,通过调整腔内无源光纤的长度和位置,实现了21 MHz~100 kHz重复频率下的锁模。在21.16 MHz重复频率下实现了3 dB光谱带宽为9.1 nm、脉宽为5.3 ps的单脉冲锁模输出,经压缩后脉宽为352 fs。当重复频率为5.92 MHz时,获得了3 dB光谱带宽最宽为30 nm和压缩脉宽最窄为177 fs的锁模脉冲输出。受限于光纤长度,当最低重复频率为100 kHz时,从振荡器直接输出的锁模脉冲的单脉冲能量为104 nJ,脉宽为300 ps,经压缩后脉宽为1.053 ps。在所有重复频率下,锁模脉冲都具有宽光谱、可压缩至亚皮秒量级等特性,并且不是耗散孤子共振或者类噪声脉冲。其中,当重复频率为388 kHz时,脉宽为62.7 ps、单脉冲能量为20.8 nJ的NALM锁模种子源经过单级光纤放大器后,单脉冲能量可以直接放大到3 μJ,最终脉宽可以被压缩至537 fs,整个激光器系统不含脉冲选择器件和额外的多级光纤放大级,结构十分紧凑。

搭建了一种集成结构的液芯光纤中红外拉曼激光光源, 利用全光纤结构液芯耦合装置进行抽运注入。将中心波长为1064 nm、重复频率为5 kHz、最大输出功率为55 mW的亚纳秒激光器作为抽运源, 将不同比例的四氯化碳和二硫化碳混合溶液充入中空光纤中, 获得了至少7阶的拉曼信号输出。目前可测得的最长波长为2.08 μm, 拉曼阈值最低为0.3 mW。通过搭建全光纤结构的液芯光纤耦合装置, 获得了90%以上的光纤耦合效率。实验发现利用石英光纤产生的拉曼信号可以对液芯受激拉曼散射的产生起到促进作用。

搭建了由国产1908 nm掺铥光纤激光器抽运的中红外可调谐窄线宽Cr∶ZnSe激光器。该激光器为X型腔结构，在抽运功率6.8 W时连续光最大输出功率为1.6 W，对应的斜效率为26.7%，中心波长为2420 nm。采用Littrow结构实现了2284~2716 nm的连续可调谐，调谐范围为432 nm，半峰全宽(FWHM)为0.13 nm；抽运功率5 W时采用输出比22%的耦合输出镜在2350~2510 nm范围内获得了大于500 mW的输出。采用Littman结构实现了2305~2658 nm的连续可调谐，调谐范围为353 nm，FWHM小于0.05 nm；抽运功率5 W时可在2350~2520 nm范围内实现300 mW以上激光功率输出。

分别将氧化石墨烯可饱和吸收镜(GOSAM)与半导体可饱和吸收镜(SESAM)作为可饱和吸收体，在同一掺铒光纤激光器中均实现了全光纤结构、稳定的锁模飞秒脉冲输出。实验用抽运源为中心波长974 nm 的半导体激光器，抽运1.4 m 长的吸收率为7 dB/m 的掺铒光纤，谐振腔总腔长约为12 m。以GOSAM 作为可饱和吸收体，当抽运功率为29 mW 时，激光器产生稳定的锁模脉冲输出，脉冲宽度最窄为703 fs，光谱中心波长为1557.67 nm，3 dB 带宽为3.91 nm。使用调制深度为18%的SESAM 作为可饱和吸收体，当抽运功率为32 mW 时也可得到锁模脉冲，脉冲宽度为542 fs，光谱中心波长为1561.5 nm，3 dB 带宽为5.41 nm。实验表明，新型激光锁模器件氧化石墨烯的可饱和吸收效应可与SESAM 媲美，且兼具价格低廉、制备简单的优势，在实现超短脉冲运转方面具有广阔的实际应用前景。

报道了一种新型纳秒脉冲532 nm 绿光激光器，其基频光为耗散孤子共振(DSR)方波纳秒脉冲、由掺镱光纤激光器得到，该激光器采用了全光纤主振荡功率放大(MOPA)结构设计。利用非线性偏振旋转(NPR)锁模技术，掺镱光纤激光种子源产生了稳定的DSR 方波纳秒脉冲激光输出，输出激光的脉冲宽度随抽运功率的改变在3~40 ns 之间可调。利用该DSR 方波纳秒脉冲激光作为种子源，经过一级非保偏结构掺镱光纤纤芯放大和两级全保偏结构掺镱光纤包层放大之后，得到了平均功率为6.95 W，峰值功率为4.4 kW 的脉冲激光输出。利用长度为20 mm 的非线性晶体LBO 作为频率转换器，得到了平均功率为2.1 W 的绿光激光输出，相应的光光转换效率为30.2%。