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
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 
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 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
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
针对使用掺铥光纤激光器的气体传感系统进行混合气体测量时，吸收谱线重叠较为严重且相互交叉吸收干扰的现象造成的测量误差大、分析精度低的问题，提出一种基于自适应变异粒子群优化的支持向量机（SVM）方法，用于建立混合气体体积分数定量分析预测模型。对体积分数为0.5%~2%的氨气（NH3）和2%~5%的二氧化碳（CO2）混合气体的吸收光谱数据进行采集和处理，利用自适应变异粒子群优化（AMPSO）算法对SVM模型参数进行寻优，利用获得的最优模型参数构建氨气和二氧化碳气体体积分数定量分析模型，并与标准粒子群优化算法和网格搜索法进行对比。实验结果表明，基于自适应粒子群优化算法建立的氨气和二氧化碳气体体积分数定量分析模型在较为合适的寻优时间下，可以得到最佳的均方误差，效率较高，该模型对测试集中氨气和二氧化碳气体体积分数设定值与预测值的均方误差分别为0.000088和0.000170，决定系数R2均为0.9998，满足混合气体检测要求。
光通信 掺铥光纤激光器 自适应变异粒子群优化 混合气体 支持向量机 光学学报
2023, 43(12): 1206001
1 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，上海 201800
2 中国科学院大学材料科学与光电技术学院，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所上海市全固态激光器与应用技术重点实验室，上海 201800
调Q技术是掺铥光纤激光器获得纳秒脉冲激光输出的主要方式。本文首先介绍主动调Q、被动调Q和增益调制这三种调Q技术在掺铥光纤振荡器中的应用现状，对比和分析三种技术的优点与不足。其次，介绍窄脉宽、高平均功率、大脉冲能量纳秒掺铥光纤放大器的现有典型研究结果和面临的技术瓶颈，并从热管理、非线性效应抑制、放大自发辐射抑制三个方面进行了优化措施分析。最后，对纳秒掺铥光纤振荡器和放大器的技术发展趋势进行展望。
激光器 纳秒掺铥光纤激光器 主动调Q 被动调Q 增益调制 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0900003
1 华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北 武汉 430074
2 华中科技大学同济医学院附属同济医院，湖北 武汉 430074
掺铥激光凭借其可以被水分子高效率吸收的优势，成为生物组织消融和碎石手术应用的理想选择，在生物医疗上具有极大的应用前景。简要阐述了掺铥激光与生物组织作用原理，介绍了国内外掺铥激光器的最新研究成果，以及掺铥激光器在组织消融和碎石手术中的应用，总结了不同激光器参数，包括工作模式、功率、照射时间、光斑面积、脉冲频率等对组织消融和碎石手术的影响，表明掺铥光纤激光器是未来医疗激光器的重要发展方向，并对国产掺铥激光器在生物医疗领域的发展提出了建议。
激光与光电子学进展
2022, 59(1): 0100004
1 广东工业大学 信息工程学院, 广州
2 广东省信息光子技术重点实验室, 广州
3 中国计量大学 光学与电子科技学院, 杭州
研究了一种基于光纤Sagnac环镜的多波长线性腔掺铥光纤激光器。该激光器采用1.5 m长的双包层掺铥光纤为增益介质, 793 nm激光二极管为泵浦源, 光纤Sagnac环镜和光纤环形镜构成激光器谐振腔。通过增加泵浦功率和调节偏振控制器, 在1 949~1 976 nm的光谱范围内实现了1~7个波长的激光输出, 输出功率达毫瓦量级, 光信噪比达到40~50 dB。
多波长光纤激光器 掺铥光纤激光器 光纤Sagnac环镜 multi-wavelength fiber laser thulium-doped fiber laser fiber Sagnac loop mirror
