单频光纤激光器研究进展【《光学学报》创刊40周年庆】


 

40周年约稿| 杨昌盛; 岑旭; 徐善辉; 杨中民; 单频光纤激光器研究进展[J]. 光学学报, 2021, 41(1):0114002.

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编者按

2021年是《光学学报》创刊40周年,编辑部特邀华南理工大学杨中民教授团队撰写《单频光纤激光器研究进展》综述论文,文章对对单频光纤激光的基础问题和关键技术开展及未来发展方向进行了总结与展望。本文的全文链接如下: http://www.opticsjournal.net/Articles/HPAbstract?manu_number=g201275

1、引言

单频光纤激光是一种以稀土离子掺杂光纤作为增益介质,实现单一模式输出的窄线宽激光光源。


稀土掺杂光纤(图片来自网络)

单频光纤激光具有线宽窄、噪声低、相干性好、全光纤化等优点,在激光武器、激光雷达、空间激光通信、相干光通信、高精度光谱测量、引力波探测、微波光子学、高精度/高灵敏度/远距离传感系统等领域有着广泛的应用,成为了近年来激光领域研究的热点。


单频光纤激光的应用(图片来自网络)

国内外研究机构相继在单频光纤激光产生、噪声抑制、线宽压窄、连续和脉冲单频激光放大等方面开展了相关研究,为提高单频光纤激光性能和拓展应用作出了大量工作。

2、背景介绍

单频光纤激光最早出现于20世纪90年代,经过近30年的持续发展,其各项性能指标已取得了大幅度提升。然而,在某些应用场合,进一步要求单频光纤激光具有超低噪声、超窄线宽、大功率/高能量、特定工作波长、线偏振等输出性能。例如:下一代引力波探测系统要求单频光纤激光具有超低噪声和近千瓦级功率,以提升其探测灵敏度;下一代高速相干光通信要求单频光纤激光的线宽在亚千赫兹量级,以满足其更密集波分复用系统和更高阶调制技术的需要;相干合束和光谱合束要求单路单频/窄线宽光纤激光的功率规模在数千瓦量级,以满足其对作用目标大功率或高能量的需要。因此,针对上述应用背景的强烈牵引,亟需对单频光纤激光的基础问题和关键技术开展研究。

3、关键技术进展

3.1 噪声抑制技术

噪声作为衡量激光性能的重要指标,一直是激光技术领域的研究重点。激光噪声大小直接影响应用,如在引力波探测等高精度传感中,激光噪声会与探测信号噪声混合转变为系统噪声,从而影响探测精度与灵敏度。光电反馈是抑制激光器噪声最常用的方式之一,其优势在于结构相对简单、容易集成,同时可有效提升输出激光的功率稳定性。不过,受限于反馈电路的控制带宽,难以获得大频带范围内的强度噪声整体抑制,且反馈电路的存在容易引入额外的电子噪声。

近年来,结合半导体光放大器(SOA)光电反馈实现噪声抑制方案成为降低激光器噪声的新途径,扩展了噪声的抑制范围。华南理工大学杨中民团队的Zhao等提出了SOA结合光电反馈的强度噪声抑制方案,通过控制输入激光的功率和偏振态使SOA工作于增益饱和状态,使输出激光的相对强度噪声在0.8 kHz~50 MHz范围内接近量子噪声极限,其实验装置图如图1所示。


图1 基于SOA和光电负反馈相结合的单频光纤激光器强度噪声抑制实验装置图

3.2 线宽压窄技术

目前,短腔分布布拉格反射(DBR)型单频光纤激光的线宽一般在几十kHz量级。而在相干光通信、光晶格钟、高分辨率激光光谱仪、基础物理量测量、量子保密通信等超高精尖端领域,期望以更窄线宽的激光作为光源。例如,当基于Yb3+的1S0↔3P2能级跃迁设计光晶格钟时,为了实现精确度为10-18的时间测量,激光光源的线宽对于整个系统时间测量精确性起着决定性作用。

在激光谐振腔内,可利用光纤光栅法布里—珀罗(F-P)滤波器实现慢光效应,即光在光纤中以非常低的群速度传播。光纤光栅F-P滤波器除了具有选模作用外,对腔内光场也具有相当长的时延,利用其较长时延特性可达到延长腔内光子寿命的目的。

华南理工大学杨中民团队的Mo等基于Er3+/Yb3+共掺磷酸盐光纤制作慢光虚拟折叠腔,通过滤波器的时延来延长腔内光子寿命,实现了激光线宽为600 Hz的超窄线宽单频激光输出,其实验原理示意图如图2所示。2019年,Wu等采用自注入锁定结合优化了泵浦噪声的泵浦源,对DBR短腔单频光纤激光器进行了噪声抑制,实现了洛伦兹线宽约88.7 Hz的单频激光输出。


图2 百赫兹量级线宽单频光纤激光器原理示意图

3.3 单频光纤激光放大技术

在一些应用领域,要求单频光纤激光具有大功率或高能量输出,如非线性频率转换、相干合束、激光雷达等。目前,以窄线宽、低噪声单频光纤激光器作为种子源,采用全光纤化种子源主振荡功率放大(MOPA)技术方案是获取高性能单频激光输出的有效途径。华南理工大学杨中民团队基于MOPA结构,其激光器在输出功率、工作波长、偏振态、线宽等性能方面取得了一些突破。 2018年,Yang等基于1064 nm单频光纤激光种子源和三级光纤放大器,主放大级采用大模场面积掺Yb3+双包层光纤,获得了功率为210 W、线宽小于9 kHz、偏振度达96%的线偏振连续单频激光输出,其实验装置图如图3所示。2020年,Guan等利用级联能量传输泵浦技术和MOPA结构对单频光纤激光种子源进行了放大,获得了功率为52.6 W、线宽为5.2 kHz、斜率效率达30.4%的1603 nm连续单频激光输出。2016年,Yang等采用两级掺Tm3+锗酸盐光纤放大器组成的MOPA结构对单频光纤激光种子源进行了放大,获得了功率为11.7 W、光光转换效率为20.4%的1950 nm连续单频激光输出。


图3 全光纤kHz线宽单频线偏振MOPA激光器实验装置图

4、总结与展望

当前单频光纤激光器在噪声抑制、线宽压窄、激光放大等性能方面取得了长足进步,未来有望从目前的近红外波段单频光纤激光发展到紫外、可见光以及中远红外波段,迫切需要从新型掺杂光纤材料到关键元器件等不断突破。此外,单频光纤激光器的应用领域亦需要不断深入和拓展,如天基引力波探测、物理常数精确测量、高精度时频传递、数字相干光通信、高灵敏核磁共振成像与磁力仪、精准激光医疗等。通过大力发挥单频光纤激光器在前沿科学研究、国民经济发展和国家战略需求等方面的辐射与引领作用,大幅提升其应用价值和科学意义。

 

课题组简介:

华南理工大学有源玻璃光纤与器件团队目前有教师17人、研究生130余人,依托发光材料与器件国家重点实验室,团队长期围绕着发光机理→有源光纤→光纤激光→激光应用全链条进行研究。研制出1.0 μm和1.5 μm波段目前已知报道的国际上最高增益系数玻璃光纤,基于这些光纤进行应用研究,分别开发出一系列超窄线宽单频光纤激光器和超高重复频率的飞秒光纤激光器。近几年相关研究成果获国家技术发明二等奖1项,教育部技术发明奖一等奖1项、广东省科学技术奖一等奖1项,中国光学重要成果1项。