1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
基于商用单模掺铥石英光纤设计了高功率2.05 μm波段全光纤主振荡功率放大器（MOPA）。以自制环形腔掺铥光纤激光器为种子，利用级联滤波型波分复用器优化长波长种子的光信噪比，基于MOPA结构实现了高效的高功率输出。基于速率方程模型，理论分析了主放大级的注入信号光功率和增益光纤长度的优化关系；实验中在102.6 W的793 nm泵浦功率下获得了输出功率为57 W、光谱线宽为0.08 nm、光信噪比为58.8 dB的单横模激光输出，主放大级斜效率为52.6%。
激光器 掺铥光纤激光器 2 μm激光 单模光纤激光器 速率方程
1 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院, 甘肃 兰州 730050
2 兰州理工大学 理学院, 甘肃 兰州 730050
理论分析了波长为2 µm的掺铥光纤放大器中受激布里渊散射（SBS）对激光输出性能的影响，研究了双包层掺铥光纤在793 nm的泵浦波长和1.9~2.1 µm的激光工作波段的光模分布、有效折射率、有效模场面积和归一化频率，数值计算了在1.9~2.1µm的激光工作波段双包层掺铥光纤中的布里渊频移和布里渊增益谱等SBS特性。利用增益光纤中的受激布里渊散射理论模型，研究了受激布里渊散射对掺铥光纤放大器激光输出性能的影响。在DTDF-10/130双包层掺铥光纤中，使用功率为100 W、波长为793 nm的连续光作为泵浦，可对波长为2 μm、功率为0.01 W的连续信号光进行放大。当泵浦光功率填充因子为0.01、0.02和0.03时，信号光的最大输出功率分别为25.27 W、31.08 W和34.06 W。对应的最佳双包层光纤长度为2.66 m、2.02 m和1.75 m，由受激布里渊散射产生的斯托克斯光功率分别为1.68 W、1.39 W和1.14 W。结果表明，在掺铥光纤放大器中使用泵浦光功率填充因子大的双包层光纤可以降低光纤长度，从而减小受激布里渊散射对信号激光输出功率的影响。本文的数值模型可以对光纤放大器的光纤长度进行优化，对提高实验效率、降低实验成本具有重要价值。
受激布里渊散射 双包层 掺铥光纤 放大器 stimulated brillouin scattering double-clad thulium-doped fiber amplifier 刘琨 1,2,3,*尹慧 1,2,3江俊峰 1,2,3刘铁根 1,2,3赵成伟 1,2,3
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学光电信息技术教育部重点实验室，天津 300072
3 天津大学光纤传感研究所，天津 300072
针对目前深度学习在气体检测领域多聚焦于学习单个任务即气体定性分类或气体体积分数定量回归，忽略了相关任务间的信息关联性，降低了模型学习精度与效率等问题，提出了一种基于一维卷积神经网络和长短期记忆网络的多任务学习模型，即MTL-1DCNN-LSTM，并行实现了混合气体种类定性识别与体积分数定量回归。利用掺铥光纤，搭建了二级放大掺铥环腔光纤激光器，基于有源内腔吸收光谱法探测了CO2和NH3混合气体的吸收光谱数据。将实验数据放入多任务学习模型中训练，并进行超参数优化后，对测试集数据进行测试得到气体识别准确率为100%，NH3体积分数预测决定系数为99.84%，CO2体积分数预测决定系数为99.62%，优于单任务模型与传统的气体反演算法如反向传播神经网络和支持向量机。所提出的深度学习算法与有源内腔法相结合的方法，为吸收光谱型混合气体反演技术的进一步研究提供了新思路。
掺铥光纤激光器 有源内腔法 多任务学习 一维卷积神经网络 长短期记忆网络 激光与光电子学进展
2024, 61(3): 0306002
北京交通大学物理科学与工程学院，北京 100044
近年来，掺铥光纤激光器凭借其结构紧凑、光束质量好、量子效率高等优势得到了越来越多的关注。其中，高功率连续掺铥光纤激光器已经在医疗、**安全、空间通信、大气污染检测、材料加工等众多领域有了重要应用。过去近20年时间里，高功率连续掺铥光纤激光器发展十分迅速，目前最高输出功率已达千瓦量级。本文从振荡器和放大系统两个方面对以往报道的高功率连续掺铥光纤激光器进行了回顾，并给出了关于未来发展趋势的一些看法。
光纤激光器 连续激光 高功率 掺铥 激光与光电子学进展
2023, 60(23): 2300005
郑文龙 1,2,3莫锦恋 1,2,3高震森 1,2,3徐鹏柏 1,2,3董新永 1,2,3,*
1 广东工业大学 信息工程学院,广州 510006
2 广东工业大学 先进光子技术研究所,广州 510006
3 广东省信息光子技术重点实验室,广州 510006
基于简化的二能级激光系统和均匀展宽理论模型,利用原子速率方程和功率传输方程建立了掺铥光纤激光器的理论模型,并以环形腔掺铥光纤激光器为例,通过Matlab编程数值模拟研究了其出射功率和波长调谐范围与腔内损耗、掺铥光纤长度、输出耦合比、泵浦波长和泵浦功率等激光器参量的关系。数值模拟结果表明,降低激光器腔内损耗、提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度可以提高掺铥光纤激光器的出射功率和增加波长调谐范围,而增加输出耦合比虽能提高激光功率,却减小了波长调谐范围。经过参数优化,在腔内总损耗为3 dB、输出耦合比为10%的情况下,通过提高泵浦激光功率和优化掺铥光纤长度,掺铥光纤激光器的波长调谐范围可达528 nm(1 660~2 188 nm),高于目前已报道的实验结果。将部分模拟结果与文献报道的实验结果进行对比,较好地证实了模型的准确性。研究工作对于掺铥光纤激光器的设计和发展具有重要的理论参考价值和指导意义。
掺铥光纤激光器 理论模拟 波长可调谐激光器 thulium-doped fiber laser theoretical simulation wavelength tunable laser
兰州大学第二医院泌尿系疾病研究所,甘肃省泌尿系疾病研究重点实验室,甘肃省泌尿系统疾病临床医学中心, 甘肃 兰州 730030
铥光纤激光是一种有碎石潜能的新型激光, 近年来在泌尿外科领域得到广泛关注。探讨了铥光纤激光的性能特点、碎石原理、碎石安全性及临床应用。相对于钬激光, 铥光纤激光有着更高的碎石效率及安全性, 其临床应用有望推动泌尿系结石治疗的新变革。
铥光纤激光 机制 碎石效率 安全性 thulium fiber laser mechanism lithotripsy efficiency safety
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha, China
2 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha, China
3 Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology, National University of Defense Technology, Changsha, China
A high-power all polarization-maintaining (PM) chirped pulse amplification (CPA) system operating in the 2.0 μm range is experimentally demonstrated. Large mode area (LMA) thulium-doped fiber (TDF) with a core/cladding diameter of 25/400 μm is employed to construct the main amplifier. Through dedicated coiling and cooling of the LMA-TDF to manage the loss of the higher order mode and thermal effect, a maximum average power of 314 W with a slope efficiency of 52% and polarization extinction ratio of 20 dB is realized. The pulse duration is compressed to 283 fs with a grating pair, corresponding to a calculated peak power of 10.8 MW, considering the compression efficiency of 88% and the estimated Strehl ratio of 89%. Moreover, through characterizing the noise properties of the laser, an integrated relative intensity noise of 0.11% at 100 Hz-1 MHz is obtained at the maximum output power, whereas the laser timing jitter is degraded by the final amplifier from 318 to 410 fs at an integration frequency of 5 kHz to 1 MHz, owing to the self-phase modulation effect-induced spectrum broadening. The root-mean-square of long-term power fluctuation is tested to be 0.6%, verifying the good stability of the laser operation. To the best of our knowledge, this is the highest average power of an ultrafast laser realized from an all-PM-fiber TDF-CPA system ever reported.
chirped pulse amplification high average power thulium-doped fiber laser ultrafast laser High Power Laser Science and Engineering
2023, 11(6): 06000e73
1 北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044
2 河北大学物理科学与技术学院 光信息技术创新中心，河北 保定 071002
3 大阪工业大学 电子信息系统工程学专业，日本大阪 999001
4 山西医科大学第五临床医学院 妇产科，山西 太原 030012
提出并实现了一种基于均匀光纤布拉格光栅（Uniform fiber Bragg grating，UFBG）和双环复合子腔滤波器的可调谐单纵模掺铥光纤激光器。3 dB带宽为0.18 nm的UFBG作为波长选择器件，与可进行模式选择的双环复合子腔滤波器相结合，实现了单纵模激光输出。测得激光器的输出波长为2 048.69 nm，光信噪比为71.82 dB。60 min内的最大波长和功率波动分别为0.03 nm和0.76 dB。此外，激光器的相对强度噪声在>0.5 MHz时，低于-127.81 dB/Hz；采用基于3×3耦合器的非平衡迈克尔逊干涉仪装置测得0.001 s时激光线宽为 7.719 6 kHz。通过调整微位移平台改变作用在均匀光栅上的应力，单纵模激光实现了5.1 nm范围可调谐输出。
光纤激光器 掺铥光纤 单纵模 双环复合子腔滤波器 fiber laser thulium-doped fiber single-longitudinal-mode double-ring compound sub-cavity filter
1 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室，北京 100084
2 密尔医疗科技（深圳）有限公司，广东 深圳 518000
3 福建医科大学附属三明第一医院，福建 福州 365000
4 莱凯医疗器械（北京）有限公司，北京 101300
激光自诞生以来就在众多领域中有着广泛应用，激光碎石技术就是其中之一。相比目前激光碎石技术的“金标准”钬激光器，掺铥碎石光纤激光器在近些年不断发展，而且逐步被证明可实现更快的碎石速率与粉末化碎石、产生较小的碎石反推力、允许更高的液体灌溉速率等手术优点，同时整机系统支持免水冷工作、高电光效率运转、全光纤高效耦合以及大幅度体积缩减，因此受到了越来越多的关注。本文从连续性、准连续型和纳秒短脉冲型掺铥光纤激光器三个角度出发，详细总结了掺铥光纤激光器的部分重要研究进展及其在碎石领域的研究，介绍了掺铥光纤激光器用于碎石的优势与原理，并展望了未来研究的方向和挑战。
激光器 掺铥光纤激光器 掺铥连续光纤激光器 掺铥准连续光纤激光器 掺铥纳秒短脉冲激光器 掺铥激光碎石 激光与光电子学进展
2023, 60(15): 1500007
1 北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044
2 光信息技术创新中心，河北大学物理科学与技术学院，河北 保定 071002
提出并实现了一种工作在2050 nm波段的单纵模窄线宽掺铥光纤激光器。使用3个耦合器组成的新型复合双环腔抑制密集的多纵模，结合未泵浦的掺铥光纤（作为饱和吸收体），实现了激光的单纵模激射和窄线宽输出。实验结果表明：室温下，激光器的中心波长为2048.76 nm，光信噪比为68 dB。通过60 min的连续测量，得到激光的输出功率波动不大于0.15 dB，中心波长漂移不大于0.02 nm，证明了所设计的激光器具有良好的波长稳定性和功率稳定性。使用基于3×3光纤耦合器的相位解调系统对激光器的频率噪声特性进行测量，并进一步结合β分割线法测量线宽。当测量时间为0.001 s时，激光器的线宽为9.17 kHz。当频率高于1 MHz时，相对强度噪声低于-125.69 dB/Hz。该激光器在激光雷达和空间光通信系统中具有广阔的应用前景。
激光器 掺铥光纤激光器 单纵模 子环腔 饱和吸收体 中国激光
2023, 50(23): 2301002
