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DOI: 10.12086/oee.2021.200362多模光纤作可饱和吸收体的 锁模光纤激光器洪 瑶1,2，张 靓1,2*，纪海莹2,3， 孙梦茹2,3，王天枢2,31长春理工大学理学院，吉林 长春 130022；2长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022； 3长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022摘要：本文报道了一种新兴的锁模方式−多模干涉锁模。
这种锁模方式结构简单，搭建方便。
在单模光纤激光器中熔接二段短的渐变折射率多模光纤，利用这种单模−多模−单模(SMS)结构的模式干涉效应实现可饱和吸收机制，从而实现锁模脉冲输出。
SMS 结构实现锁模需要对多模光纤的长度进行精确控制，本文提出将SMS 结构缠绕进偏振控制器中，通过理论推导偏振控制器对多模光纤中传输光相位的调控，以实现可饱和吸收效应。
在263 mW 泵浦功率下实现了24.83 MHz 重复频率的传统孤子脉冲输出，其脉冲间隔为40.12 ns ，信噪比为50.8 dB ，中心波长为1881.7 nm 。
通过调节偏振控制器和泵浦功率实现孤子分子与传统孤子脉冲的转换。
在410 mW 的泵浦阈值下实现了25 MHz 重复频率的孤子分子脉冲输出，其脉冲间隔为40.3 ns ，信噪比为54.4 dB ，中心波长为1887.60 nm 。
关键词：光纤激光器；锁模激光器；单模-多模-单模光纤结构；非线性多模干涉 中图分类号：TN248 文献标志码：A洪瑶，张靓，纪海莹，等. 多模光纤作可饱和吸收体的锁模光纤激光器[J]. 光电工程，2021，48(5): 200362Hong Y , Zhang J, Ji H Y, et al. Mode-locked fiber laser with multimode fiber as saturable absorber[J]. Opto-Electron Eng , 2021, 48(5): 200362Mode-locked fiber laser with multimode fiber as saturable absorberHong Yao 1,2, Zhang Jing 1,2*, Ji Haiying 2,3, Sun Mengru 2,3, Wang Tianshu 2,31College of Science, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin 130022, China;2National and Local Joint Engineering Research Center of Space Optoelectronics Technology, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin 130022, China;3College of Opto-Electronic Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun, Jilin 130022, ChinaAbstract: We demonstrate a new mode-locking method: multimode interference mode-locking. This method is sim-ple and convenient in construction. It is only necessary to fuse two short pieces of graded-index multimode fiber in a single-mode fiber laser, which uses the mode interference effect of single-mode multimode single-mode (SMS) structure to achieve saturable absorption mechanism. In order to realize the mode-locking of the SMS structure, it isS-GIMF-SS-GIMF-SIsolatorTm fiber1550 nmWDM 1550/195090%10%outputCouplerPC1(Twined by SMS1, GIMF:0.3 m)PC2 (Twined by SMS2,GIMF:0.3 m)——————————————————收稿日期：2020-10-09； 收到修改稿日期：2021-03-09 基金项目：国家自然科学基金面上项目(61975021)作者简介：洪瑶(1995-)，女，硕士研究生，主要从事光纤激光器技术的研究。
2L m 掺铥(Tm 3+)光纤激光器的实验研究杨丽萍,冯晓强,陆宝乐,王郡婕,任兆玉,白晋涛(西北大学光子学与光子技术研究所,陕西西安 710069)提要:为了实现高效、紧凑、窄线宽的2L m 激光输出,采用中心波长为790nm 的LD 激光器作为泵浦源端面泵浦掺铥光纤,半导体散热系统,光纤布拉格光栅(FBG)构成谐振腔的全光纤激光器。
首先,我们采用一个光栅,光纤尾端采用4%的菲涅尔反射,将所有的光学元件熔接在一起后,我们获得了2L m 的稳定输出。
当泵浦电流为44A 时,获得的最大输出功率为8.7W,斜率效率为29.4%,其线宽为4.5m,阈值功率为0.7W 。
当采用两个光栅构成谐振腔时,其线宽可窄至3nm 左右,光斑质量可得到进一步的提高.实验结果表明:该激光器稳定性可靠、输出激光线宽较窄,功率较高,光斑质量好。
关键词:掺Tm 3+光纤激光器:光纤布拉格光栅;2L m 波长;全光纤激光器中图分类号:TN248.1 文献标识码:A 文章编号:0253-2743(2012)01-0018-02Experimental study of Tm -doped fiber laser near 2L mY ANG Li-ping,FENG Xiao-qi ang,LU Bao-le,WANG Jun-jie,REN Zhao-yu,BAI Jin-tao (Institute o f Photonics &Photonic Technology,Northwestern Uni v ersily,Xi .an 710069,Chi na)Abs tract:In order to achieve efficient,co mpact,narrow line width laser output at 2L m,with center wavelength of 790nm laser as pump s ource of LD end-pumped Tm-doped fiber,semic onductor cooling s ystem,and resonant cavi ty which was c onstituted by fiber Bragg grati ngs were designed for all-fiber las er.Fi rs t,we use a FBG,and another optical fiber end w i th 4%Fres nel reflection,then w e welded all the optical components together,we get 2L m the stabili ty of the output.When the pump current is 44A,w e access to the maxi mum output power of 8.7W,with a slope effici ency of 29.4%,and the width of 4.5nm,the thres hold power is 0.7W.When the cavity with two gratings,its width can be about as narrow as lnm,spot quality could be further improved.The resul ts show that the s tabili ty of laser output is high,line width i s relatively narrow,the po wer of output is hiagh,and the quality of the beam is perfect.K ey words :Tm 3+-doped fi ber laser;FBG;2L m wavelength;all fiber laser收稿日期:2011-12-11基金项目:国家/8630计划项目(2007AA03)作者简介:杨丽萍(1986-),女,硕士研究生,主要研究方向为光纤激光器。
掺铥光纤激光器的应用
光纤激光器具有理想的光束质量、超高的转换效率、免维护、高稳定性以及冷却效率高、体积小等优点，具有许多其他激光器无可比拟的技术优越性。
2μm掺铥光纤激光器由于其高效率、高输出功率、对人眼安全、且位于透过率良好的“大气窗口”等特性在科研领域有着巨大吸引力，它在材料处理、遥感、生物医学和国防领域有着广泛应用前景。
掺铥光纤激光器的应用
随着光纤制作技术的日臻成熟、成本逐渐降低，2μm波段掺铥光纤激光器的应用也越来越广泛，下面介绍几个2μm波段掺铥光纤激光器的典型应用。
一军事上
2μm波段位于透过率良好的“大气窗口”，在激光武器中具有广阔的应用前景。
陆军可将高功率2μm光纤激光器安装在未来战斗系统(FCS)的地面车辆上，然后利用这种激光武器对付空对地导弹、火箭弹、迫击炮等。
空军则可进行地对空导弹打击、导弹防御、反卫星等。
海军利用激光武器系统主要对付反舰导弹、有人机、无人机、小型舰艇等目标。
海军陆战队则可在保证附加破坏效应最小的条件下实现精确打击。
在防空、光电对抗等活动中，光纤激光器更有短期实现的可能。
高功率2μm光纤激光器正成为一种将来安装在运输飞机、地面车辆、甚至可能是便携式系统的有前途的武器级固体激光器系统。
在飞机和导弹导航中，2μm光纤激光器可用做激光雷达。
二生物医学
医学上，可作为一种高精度的眼睛手术刀，由于人眼中的水分子对2μm。
掺铥光纤激光器结构与特性研究作者：张宁来源：《北京联合大学学报》2018年第02期[摘要]随着光纤通信技术的不断发展，光纤激光器已经成为通信技术中的一个研究热点。
光纤激光器是第三代激光技术发展的成果，并且在全光纤通信中起着核心的作用。
对掺铥光纤激光器的结构与特性进行了研究，探讨了掺杂稀土离子铥的光纤的增益性质，分析了铥离子的能级结构与辐射特性，建立了粒子速率方程，讨论了掺杂铥离子的浓度对光纤长度的影响，进行了仿真实验。
探讨了光纤光栅的特点，分析了Bragg 光栅构造光学谐振腔的功能，光纤Bragg 光栅是制造全光纤激光器的关键元件。
最后论述了掺铥光纤激光器在不同领域的应用。
[关键词]掺铥光纤；激光器；结构；性质[中图分类号]TN 248[文献标志码]A[文章编号]10050310（2018）02005506Abstract： With the development of fiber communication technology， optical fiber laser has become a research hot spot in communication technology. Fiber laser is the result of the development of the third generation laser technology， and plays a central role in the all fiber optical communication. The structure and characteristics of thulium doped fiber laser are studied. The gain properties of the fiber doped rare earth ions are discussed. The energy level structure and radiation properties of thulium ions are analyzed， and the particle velocity equation is set up. The effect of thulium ion doped concentration on fiber length is discussed. The simulation experiment has been carried out. The characteristics of fiber grating are discussed. The function of optical cavity made of Bragg grating has been analyzed. The fiber Bragg grating is a key component in the manufacture of all fiber lasers. Finally， the application of thulium doped fiber laser in different fields is discussed.Keywords： Thulium doped fiber； Laser； Structure； Characteristics随着光纤通信技术的快速发展，各种不同的通信技术不断涌现，层出不穷。
2μm单纵模全固态脉冲激光技术研究进展(封面文章特邀)颜秉政;穆西魁;安嘉硕;齐瑶瑶;丁洁;白振旭;王雨雷;吕志伟【期刊名称】《红外与激光工程》【年(卷),期】2024(53)2【摘要】2μm激光属于人眼安全波段,具有高大气透过率和水吸收特性,能覆盖CO_(2)等温室气体的吸收峰,因此在大气环境监测、光通信、激光雷达、材料加工、医疗手术等领域有广泛应用。
其中,单纵模运转的全固态2μm脉冲激光器以其高稳定性、窄线宽和优良的光束质量等优势,可作为多普勒测风、相干差分吸收等激光雷达应用的优质光源,在工业、国防和科研等领域具有重要意义。
目前,实现2μm激光输出的主要方法有光参量技术和直接泵浦法。
相比光参量技术,直接泵浦法更具高效率、可调节性和集成性等优点,已成为2μm全固态激光的主流方式。
文中总结了常用的2μm固体激光增益介质,分析了空间结构振荡器单纵模选择的原理和特点,综述了2μm单纵模全固态脉冲激光的研究进展,并对不同结构激光器的输出特性进行了比较,最后对2μm单纵模全固态脉冲激光的发展前景进行了展望。
【总页数】16页(P1-16)【作者】颜秉政;穆西魁;安嘉硕;齐瑶瑶;丁洁;白振旭;王雨雷;吕志伟【作者单位】河北工业大学先进激光技术研究中心;河北省先进激光技术与装备重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TN248.1【相关文献】1.单纵模调Q脉冲光纤激光器研究进展2.高功率克尔透镜锁模掺镱全固态激光器研究进展(特邀)3.被动锁模超短脉冲光纤激光器研究进展(特邀)4.全固态单频连续波宽调谐钛宝石激光器研究进展(特邀)5.单纵模激光器强度噪声抑制技术研究进展因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
第２６卷第９期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２６，Ｎｏ．９ ２０１４年９月ＨＩＧＨ ＰＯＷＥＲ ＬＡＳＥＲ ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ ＢＥＡＭＳ Ｓｅｐ．，２０１４ ２μｍ波段全光纤保偏被动锁模掺铥光纤激光器＊曹丁象１，２，３， 张宝夫４， 王兴龙１（１．光库通讯（珠海）有限公司，广东珠海５１９０８０； ２．天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津３０００７２；３．解放军７５７３１部队，广东深圳５１８１１２； ４．中山大学物理科学与工程技术学院，广州５１０２７５） 摘 要： 报道了２μｍ波段的全光纤保偏锁模掺铥光纤激光器，通过在法布里－珀罗（Ｆ－Ｐ）腔内加入半导体可饱和吸收镜做为被动锁模器件，采用主振－放大构型，获得了最高输出平均功率为１．０８Ｗ，重复频率为１０．２４ＭＨｚ，脉冲宽度为１５．２４ｐｓ，中心波长为２０５４．６８ｎｍ，光谱宽度约为０．３ｎｍ的２μｍ线偏振激光脉冲输出，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ。
关键词： 光纤激光器； 被动锁模； 半导体可饱和吸收镜； 掺铥光纤 中图分类号： ＴＮ２４８．１ 文献标志码： Ａ ｄｏｉ：１０．１１８８４／ＨＰＬＰＢ２０１４２６．０９１０１４ ２μｍ波段光纤激光器在军事对抗、医疗、先进制造业及光伏太阳能等产业中均有着广泛的应用需求［１－３］。
在医疗方面，２μｍ波长高功率掺铥光纤激光器成为高精度外科手术的优良候选光源。
在材料处理方面，２μｍ激光器在材料处理特别是塑料处理方面非常具有吸引力。
激光传感和自由空间光通信方面，２μｍ激光波长是人眼安全的波长，该波长会被晶状体吸收而不会达到视网膜，对眼睛的损伤阈值比短波长更高，因此人眼安全的２μｍ波长激光器具有非常大的潜在市场。
杨末强等研究了增益开关锁模２μｍ铥钬共掺光纤激光器［４］，该激光器腔内不需要锁模器件，结构简单、紧凑，但是输出功率受限于泵浦功率。
王雄等研究了全光纤主动锁模２μｍ掺铥脉冲激光器［５］。
基于半导体可饱和吸收体（ＳＥＳＡＭ）的锁模光纤激光器具有环境稳定性高、易于自启动等优点，其已经成为被动锁模的研究热点之一［６－８］。
刘江等研究了全光纤结构ＳＥＳＡＭ被动锁模２．０μｍ掺铥光纤激光器［７］，得到了８ｎＪ的高能量ｐｓ脉冲，但是该激光脉冲为非偏振光。
本文采用ＳＥＳＡＭ作为激光锁模器件，双包层单模掺铥光纤（ＴＤＦ）作为激光增益介质，通过“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计，实现了２μｍ波段ｐｓ激光脉冲偏振光输出。
１ 实验装置掺铥双包层大模场光纤锁模激光器的实验装置如图１和图２所示。
考虑到锁模激光脉冲的稳定性及ＳＥＳＡＭ的损伤问题，激光器采取了“种子源振荡器＋功率放大器”（ＭＯＰＡ）结构，首先通过主振荡器（ＭＯ）获得数十ｍＷ量级的锁模脉冲输出，然后经功率放大器（ＰＡ）将激光功率提升至目标功率水平。
锁模掺铥光纤激光振荡器采用输出波长为７９３ｎｍ的半导体激光器作为泵浦源，其最大功率为５Ｗ。
泵浦光通过泵浦合束器耦合进长度为２．１ｍ的１０／１３０μｍ（“／”符号前后分别代表芯径直径和内包层直径）的高掺杂浓度、双包层大模场掺铥光纤中。
在增益光纤之后通过熔接３ｍ长的ＳＭＦ－２８光纤来增加激光器腔长，以调节锁模激光的重复频率，同时该光纤也起到了剥离残余泵浦光的作用。
ＳＥＳＡＭ作为激光器系统的锁模元件，与另Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｓｅｅｄ ｌａｓｅｒ图１ 保偏锁模掺铥光纤激光器种子源示意图＊收稿日期：２０１３－１２－１６； 修订日期：２０１４－０５－０７基金项目：广东省中国科学院全面战略合作项目（２０１０Ｂ０９０３０００６３）外一个输出耦合镜（对１９００～２１００ｎｍ的激光具有９０％的反射率及１０％的透射率）构成激光器的两个腔镜；激光通过准直器来实现其在光纤中及自由空间中的稳定传输。
掺铥光纤功率放大器主要包括隔离器、输出功率２０Ｗ的多模半导体激光器、泵浦合束器、６ｍ长的双包层大模场掺铥光纤和泵浦剥离器等。
掺铥增益光纤的纤芯直径为２５μｍ，内包层直径为４００μｍ，该增益光纤在７９３ｎｍ处包层吸收率大约为２．４ｄＢ／ｍ。
Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ图２ 锁模掺铥光纤激光放大器示意图由于ＳＥＳＡＭ对激光的偏振具有一定的选择性，因此我们的激光器中所采用的光纤均为保偏光纤，而且在准直器与腔镜之间加入了偏振分光片对激光的偏振进行选择，实现了“快轴截止，慢轴传输”的线偏振激光输出。
通过“全光纤嵌入式结构”封装，保证了系统的稳定性，减少了外界环境对激光器光路的影响。
２ 实验结果与讨论锁模掺铥光纤激光器ＭＯ的平均功率随泵浦功率变化的曲线如图３所示。
ＭＯ的激光振荡阈值为０．６４Ｗ，其产生稳定连续锁模脉冲序列的阈值为１．５Ｗ；当泵浦功率升高到２．２３Ｗ，种子激光输出依然保持连续锁模状态，最大平均功率为５６ｍＷ，激光器的斜效率为３．３７％，从７９３ｎｍ泵浦光到２μｍ激光的转换效率为２．５１％。
种子激光的脉冲序列如图４所示，锁模激光脉冲的周期为９７．４ｎｓ，重复频率为１０．２４ＭＨｚ，与ＭＯ ９．７５ｍ的腔长相吻合，可由此判断输出的激光脉冲序列为锁模脉冲序列；但由于探头的响应时间较长（上升沿及下降沿均为１０ｎｓ），图４所示的脉冲宽度有失真。
Ｆｉｇ．３ Ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ＭＯ ｖｅｒｓｕｓ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图３ 锁模掺铥光纤激光器种子源激光输出功率随泵浦功率变化曲线Ｆｉｇ．４ Ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图４ 种子源输出的锁模激光脉冲序列利用分辨率为０．０５ｎｍ的光谱分析仪（ＹＯＫＯＧＡＷＡ）对２μｍ锁模激光脉冲的光谱进行测量，得到了如图５所示的光谱图。
可以看出，锁模激光的中心波长为２ ０５４．６８ｎｍ，３ｄＢ光谱半高全宽为０．３ｎｍ。
锁模掺铥光纤激光器ＰＡ部分的输出平均功率随泵浦功率变化的曲线如图６所示。
由于光纤熔接的损耗及光纤器件带来的插入损耗，当放大器没有泵浦时，放大器输出的锁模激光功率为３．８ｍＷ。
当泵浦功率为１５．９Ｗ时，２μｍ锁模激光的最大平均输出功率为１．０８Ｗ，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ，即９９．６２％的激光输出为线偏振光。
由于当泵浦功率较小时，激光器中的再吸收效应严重，因此当泵浦功率较大时，激光器的输强激光与粒子束出功率才呈线性增长，线性增长区内激光器的斜效率为１０．６％，从７９３ｎｍ泵浦光到２μｍ激光的转换效率为６．４２％。
Ｆｉｇ．５ Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图５ 种子源输出的锁模激光脉冲光谱Ｆｉｇ．６ Ａｖｅｒａｇｅ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｖｅｒｓｕｓ ｐｕｍｐ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｔｈｅｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ图６ 锁模掺铥光纤激光器放大器输出功率随泵浦功率变化曲线Ｆｉｇ．７ Ａｕｔｏｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｒａｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ，ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ－ｌｏｃｋｅｄ ｔｈｕｌｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ图７ ２μｍ锁模激光脉冲强度自相关曲线为了准确获得锁模激光的脉冲宽度，利用强度自相关的方法对激光器锁模脉冲进行测量，得到的锁模脉冲强度自相关曲线如图７所示。
由于强度自相关曲线的３ｄＢ脉宽Δτ１为２３．６２ｐｓ，假设脉冲形状为双曲正割曲线，ＴＦＷＨＭ＝Δτ１１．５５＝１５．２４ｐｓ（１）因此可以计算得到实际的锁模脉冲宽度应为１５．２４ｐｓ。
我们对整个掺铥光纤激光器的输出功率和光谱进行了长达２４ｈ的监测，没有发现较明显的波动，从而充分证明“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计更利于激光器的长期稳定工作。
３ 结 论实现了“全光纤嵌入结构”保偏、锁模掺铥光纤激光器的设计，整个光纤激光器采用了ＭＯＰＡ结构设计，种子源采用７９０ｎｍ的多模半导体激光器作为抽运源、双包层掺铥光纤作为激光增益介质以及ＳＥＳＡＭｓ作为锁模器件，实现了重复频率１０．２４ＭＨｚ，脉冲宽度１５．２４ｐｓ，中心波长２ ０５４．６８ｎｍ，光谱宽度约０．３ｎｍ的激光脉冲输出，最大输出功率为５６ｍＷ。
种子源经过一级掺铥光纤放大器后，获得了１．０８Ｗ的高平均功率线偏振ｐｓ脉冲输出，激光脉冲的消光比为２４．１７ｄＢ。
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