单频掺铒光纤激光

       掺铒光纤激光发射波长位于大气透射窗口和人眼安全波段，作为最早被发明的光纤激光之一，已经广泛应用于光纤通信领域。近年来，光纤集成器件日益成熟，掺铒光纤激光输出功率已经突破百瓦量级。随着激光相干探测、激光关联成像、激光冷却等领域的发展，对掺铒光纤激光的输出特性要求也越来越高。不仅要求其具有较高的输出功率，还要求其噪声低、线宽窄。这也反过来促进了高功率低噪声单频掺铒光纤放大器领域的发展。

       上世纪90年代，单频掺铒光纤激光已被发明。经过三十年的发展，全光纤结构的单频掺铒光纤放大器刚刚突破100 W。而相比之下，全光纤结构的单频掺镱光纤放大器早已实现了700 W输出。究其原因，主要是因为铒离子对二极管泵浦光（9xx nm）吸收较少，高浓度掺杂时出现铒离子团簇影响了效率。通过镱离子吸收泵浦光，向铒离子交叉弛豫传递能量的铒镱离子共掺方法是解决以上问题的主要方法。但此方法中，由于镱-铒离子能量传递速率有限，当泵浦光功率提升时，泵浦能量无法有效传递至铒离子，导致镱离子能量堆积，放大自发辐射（amplified spontaneous emission, ASE）产生寄生振荡。从而限制掺铒光纤激光的功率提升。

       相比较常规二极管泵浦方式，1480 nm同带泵浦方案优势在于跳过镱离子传递能量过程，从根本上避免1 μm ASE的产生。同时单模光纤中较高的泵浦功率密度可以获得较高的转换效率，从而降低了对增益光纤长度的要求，提高了系统的受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering, SBS）阈值。

同带泵浦高功率单频掺铒光纤放大器

       近日，国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院与上海光机所合作，用纤芯同带泵浦掺铒光纤方式，获得了功率高达59.1 W，效率高达90%的单频1560 nm激光输出，同时兼备线偏振、基横模等特点。其利用磷光纤中拉曼效应，从1064 nm常规波长经两次拉曼频移至1480 nm，1480 nm激光再通过纤芯泵浦掺铒光纤，放大单频1560 nm激光。仔细研究了泵浦方向对输出激光的影响，发现泵浦方向对线宽以及10 MHz以内的相对强度噪声均无影响。但在前向泵浦时，输出光谱具有明显的光谱基座，是由于泵浦激光与信号光之间的相位调制引起的基座展宽，而在后向泵浦时这种展宽被抑制。这也是首次观察到并研究了这种基座展宽现象。

       成果发表在High Power Laser Science and Engineering2023年第1期的文章（Xin Cheng, Zhiquan Lin, Xuezong Yang, Shuizhen Cui, Xin Zeng, Huawei Jiang, Yan Feng. High-power 1560 nm single-frequency erbium fiber amplifier core-pumped at 1480 nm[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(1): 010000e3）

       该单频光纤放大系统的结构如图1所示，1560 nm单频种子源，经过预放大器后输出4.1 W注入主放大器。主放大器采用自制的1480 nm拉曼激光作为同带泵浦源，泵浦激光与信号光经过波分复用器（wavelength division multiplexer, WDM）耦合进铒镱共掺光纤，WDM 1、2分别实现前向泵浦和后向泵浦方式。

图1单频光纤放大器结构以及测试系统

       前向泵浦时，输出激光的光谱及线宽如图2所示，光谱基座呈现明显的抬升趋势，-60 dB光谱宽度从4.3 W功率的0.34 nm增加至59.1 W的4.94 nm。最高功率下，光谱基座距离信号光峰值仅34.9 dB。而在延时自外差拍频结果中并未观察到线宽展宽现象。此种展宽源自泵浦激光对信号光的交叉相位调制（cross-phase modulation, XPM）。

图2 前向泵浦结构中（a）输出光谱和（b）拍频线宽

        后向泵浦时，输出激光的光谱及线宽如图3所示，泵浦激光与信号光的走离效应（walk-effect）抑制了其XPM，输出光谱没有任何展宽。

图3 后向泵浦结构中（a）输出光谱和（b）拍频线宽

       相对强度噪声结果如图4所示，相同泵浦功率下，输出激光的噪声保持一致；不同泵浦功率下，由于泵浦激光噪声不同，输出激光存在明显差异。之前的研究结果表明，包层泵浦的1.5 μm单频放大器输出激光噪声，相对于泵浦噪声有“低通”趋势。而在这里，发现在纤芯泵浦时，泵浦激光的噪声影响信号激光在100 Hz-10 MHz全频段范围内的噪声。

图4相同泵浦功率，不同泵浦方式下，输出激光相对强度噪声对比

总结与展望

       该研究结果对高功率单频稀土离子掺杂光纤放大器，特别是同带泵浦光纤放大器具有指导意义。一方面，同带泵浦更容易获得高功率。另一方面，为了获得低噪声单频激光器输出，优化泵浦激光器噪声尤为重要。

       该研究获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金支持。

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编辑 | 周琦雅

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