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《激光与光电子学进展》2018年“光纤激光器”专题
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“光纤激光器”专题 前言
与传统的固体激光器相比，光纤激光器具有光束质量好、增益高、效率高、阈值低、可调谐、结构紧凑、运转可靠和散热性好等优点。在过去的近３０年间，光纤激光器得到了迅猛发展,在光通信、光传感、激光医疗、工业加工、航空航天、材料科学、光谱学以及非线性光学等领域均得到了广泛应用，是目前激光技术领域最为热门的研究方向之一。为集中反映近年来我国科研工作者在光纤激光器领域的最新研究成果和研究进展，促进学术交流，推动技术进步，《激光与光电子学进展》精选2016-2018年出版的相关研究论文和综述，推出“光纤激光器”虚拟专题。 郑也，李磐，朱占达，刘小溪，王军龙，王学锋 北京航天控制仪器研究所 [摘要]高功率窄线宽光纤激光器在地球科学、光束合成、非线性频率转换等领域有重要的应用价值，近几年已经成为激光领域的研究热点。受激布里渊散射(SBS)、自相位调制(SPM)、四波混频(FWM)等非线性效应限制了窄线宽光纤激光器输出功率的提升。随着各种非线性效应抑制技术的发展，窄线宽光纤激光器的输出功率也得到了大幅提升，目前已经达到了千瓦量级。对1 μm波段高功率窄线宽光纤激光器的研究进行了详细的介绍，重点介绍了限制窄线宽激光器功率提升的非线性效应及其抑制方法、高功率窄线宽光纤激光器的种子源技术以及国内外典型的高功率窄线宽光纤激光器的研究成果。 刘茵紫，邢颍滨，徐中巍，李进延 华中科技大学武汉光电国家实验室 [摘要]掺铥光纤激光器在医疗、塑料焊接、激光雷达和光学参量振荡等领域有着重要应用。介绍了掺铥石英光纤、高功率连续掺铥光纤激光器和脉冲掺铥光纤激光器最新研究进展，分析和讨论了掺铥光纤激光器的发展和技术瓶颈，分别从光纤设计、抽运方式以及激光器结构三个方面提出优化和调整，通过改善掺铥光纤激光器的热管理和非线性效应，实现更高输出功率的掺铥光纤激光器。 陈家旺，赵鹭明 江苏师范大学物理与电子工程学院；江苏省先进激光技术与新兴产业协同创新中心；江苏省先进激光材料与器件重点实验室；江苏师范大学敬文书院；深圳大学光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室 [摘要]类噪声脉冲(NLP)是锁模激光器在一定条件下生成的一种特殊脉冲，具有能量高、脉宽宽、相干性低等特点。近年来，由于稀土元素掺杂技术、锁模技术和光纤放大技术的不断发展以及抽运能量的不断提升，类噪声脉冲光纤激光器得到了迅速发展。基于此，描述了使用不同锁模技术、工作在不同色散区的类噪声脉冲光纤激光器。依据其脉冲产生机理、脉冲光学性质等特点进行分类叙述，综述了国内外这一领域的研究现状及进展。最后，对近年来类噪声脉冲激光器在生产实践中的具体应用进行了简要阐述。 陈益沙，廖雷，李进延 华中科技大学武汉光电国家实验室 [摘要]光纤激光器的输出功率达到一定阈值后, 激光器中会出现模式不稳定效应, 该效应会对激光器的输出功率和光束质量造成严重影响, 限制了大功率激光器的进一步应用。研究大功率光纤激光器中的模式不稳定机理及抑制方法, 这对光纤激光器输出功率的进一步提高具有重要意义。系统介绍了模式不稳定机理, 并总结了一些模式不稳定的抑制方法。 李平雪，张月 北京工业大学激光工程研究院 [摘要]980 nm掺镱光纤激光器不仅可以抽运掺铒、掺镱光纤实现高功率激光输出，还可通过晶体倍频获得490 nm波段的蓝绿光，因此受到了广泛关注并成为研究热点。从980 nm掺镱光纤激光器3种工作模式（连续光纤振荡器、脉冲光纤振荡器和光纤放大器）出发，对国内外相关研究成果进行综述，简单介绍其实验进展，并对980 nm光纤激光器的发展进行展望。 胡志涛，何兵，周军，张建华 上海大学机电工程与自动化学院；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；南京中科神光科技有限公司 [摘要]为实现光纤激光器的高功率输出，光纤热效应是必须考虑的重要因素之一，研究高功率光纤激光器的温度分布特性并对产生的热量采取相应抑制措施，以保证高功率光纤激光器在合适的温度下正常运行，对研究高功率光纤激光器具有重要意义。对已报道的主要的高功率光纤激光器热效应相关研究进行了综述，逐类说明了光纤温度理论研究、热效应对光纤激光器输出特性的影响以及热效应的抑制方法，讨论了这些研究中存在的优缺点，并对其未来的研发趋势进行了展望。 刘超平，廖雷，李进延 华中科技大学武汉光电国家实验室 [摘要]高功率掺镱光纤激光器长时间工作会产生光子暗化现象，导致激光器输出功率降低，因此研究掺镱光纤光子暗化现象对促进掺镱光纤激光器的进一步发展具有重要意义。从产生机理、产生的影响以及抑制方法三方面，详细介绍了掺镱光纤光子暗化现象的研究进展，为光子暗化现象的深入研究提供参考。 刘业辉，李进延 华中科技大学武汉光电国家实验室 [摘要]纤芯激光功率密度过高，易引起非线性效应,导致激光损伤，限制光纤激光器输出功率的提高，采用多芯光纤是解决这一问题的有效方案之一。同相位超模的选择和多芯光纤的制作是影响多芯光纤激光器发展的主要因素，因此实现同相位超模运转的大模场面积多芯光纤研究成为近年来国内外研究人员关注的热点。详细介绍了当前多芯光纤选模及制造技术的研究进展，通过对比几种技术方案的可行性，展望了高功率多芯光纤激光器单模运转的发展前景。 徐航，戴世勋，张培晴，李杏，吴越豪，吴丽华，刘自军，王训四，徐铁峰，聂秋华 宁波大学高等技术研究院红外材料及器件实验室 [摘要]硫系玻璃具有优良的中红外光学透过性能、极高的线性和非线性折射率。近年来，硫系玻璃光纤中较高的受激拉曼效应在全光器件和级联激光器等方面的应用引起了研究者极大的关注。回顾了硫系玻璃拉曼光纤激光器的研究历程，包括对硫系级联拉曼光纤激光器、硫系微纳光纤拉曼光纤激光器和硫系拉曼光纤激光器的理论研究，指出了现有研究存在的问题，并对其发展前景进行了展望。 李磐，师红星，符聪，薛亚飞，邹岩，郑也，刘小溪，王军龙，王学锋 北京航天控制仪器研究所；北京工业大学激光工程研究院；北京工业大学 [摘要]本文报道了激光清洗用高能量纳秒脉冲掺镱光纤激光器。该激光器采用主动调Q技术产生纳秒脉冲，经过两级主功率振荡放大（MOPA）器后，获得高能量和高平均功率。在重频为100kHz时，其最高输出平均功率达到302W，脉宽为203ns，脉冲单脉冲能量为3mJ，主放大光光转换效率为84%。利用该激光进行了激光除锈实验，证明该激光器稳定可靠，可满足激光除锈、激光除漆等多种应用需求。 张策，陈根祥，高云舒，于超，吕敏，陈笑，张倩，王义全 中央民族大学理学院；北京交通大学电子信息工程学院；北京邮电大学电子工程学院 [摘要]光纤激光器在光纤通信、光纤传感、光谱测量等众多领域有着广泛应用。设计并研制了一种基于数字微镜器件（DMD）实现滤波功能并具有多个输出端口的宽带连续可调谐掺铒光纤激光器。用行波速率方程模型对激光器的输出特性进行理论分析和仿真研究；在此基础上，搭建了具有8个输出端口的宽带可调谐掺铒光纤激光器实验系统；结果显示：各端口输出波长范围为50 nm，完整覆盖了整个C波段，并拓展到了S和L波段；激光器的阈值抽运功率为17 mW, 输出激光的3 dB带宽小于0.02 nm，边模抑制比大于50 dB。激光器在100 min内输出稳定性的实验测试结果表明，输出激光的功率波动小于0.4 dB，波长抖动小于0.02 nm。 池俊杰，姜诗琦，张琳，于淼，王军龙 北京航天控制仪器研究所 [摘要]针对高功率光纤激光器的空间应用, 采用976 nm和915 nm两种波段作为抽运源的光纤激光器进行辐照实验, 采用的有源光纤均为20/400 μm掺镱光纤, 输出功率分别为32.68 W和32.04 W。辐照源为Co60源γ射线, 总辐照剂量为12.4 krad, 辐照后976 nm和915 nm抽运光纤激光器输出功率分别降至20.09 W和5.63 W。研究结果表明, 976 nm抽运光纤激光器抗辐照性能优于915 nm抽运光纤激光器。另外, 采用无源器件, 如光纤合束器和包层光剥离器进行辐照实验, 结果发现辐照后光纤合束器耦合效率降低, 包层光剥离器的剥离度增大, 故辐照对无源器件也有影响。 宋秋艳，陈根祥，田恺 曲阜师范大学物理工程学院；中央民族大学理学院；北京交通大学电子信息工程学院 [摘要]利用几何光学理论分析了锥形光纤中传输光线模式的变化，得到锥形光纤锥腰直径在1.135~60 μm范围内时可实现多模传输的结果。采用熔融拉锥系统制备不同直径的锥形光纤，运用Origin软件拟合得出锥形光纤半径随拉伸长度的变化关系，在给定条件下，拉锥时间为95 s时，获得锥腰直径为2.475 μm的锥形光纤。运用RSoft公司的BeamPROP模块对直径为2.475 μm锥形光纤的传输性能进行了模拟，同时采用放大自发辐射(ASE)光源作为输入光源，选取1530~1580 nm波段，测量了锥形光纤输出光功率随波长的变化关系。将锥形光纤接入环形腔，通过偏振控制器改变腔内信号光的偏振态，实现了1563.828~1565.444 nm范围内的波长可调谐，边模抑制比为51.4 dB，并得到波长间隔最大为1.48 nm的双波长输出，边模抑制比为49.8 dB。 汤轲，于晋龙，王菊，王文睿，马闯，杨恩泽 天津大学电气自动化与信息工程学院光纤通信实验室；浙江大学航空航天学院 [摘要]提出了一种再生锁模光纤激光器的双腔稳定控制方案，利用锁相环检测光谐振腔腔长变化引起的微波频率漂移，并用压电陶瓷光纤拉伸器进行反馈补偿。利用光电再生腔中的混频器比较两个同频微波信号的相位，得到光电再生腔的腔长变化，并用电移相器反馈补偿光电再生腔的腔长变化。本研究中再生锁模激光器输出了重复频率为10 GHz、脉冲宽度为16.6 ps的光脉冲。光电再生腔输出了重复频率为10 GHz的微波信号，其边模抑制比为40 dB，相位噪声为-127 dBc/Hz，70 min内的频率漂移小于1 Hz。与现有的再生锁模方案相比，本方案实现了光谐振腔腔长和光电再生腔腔长的同时控制，输出的微波信号频率稳定度高，光脉冲质量好，可实现激光器的长时间稳定工作。 何广龙，徐莉，马晓辉，徐成阳，邹永刚，吴国盛 ，隋庆学，张志敏，金亮 长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室；陆军装甲兵驻长春地区军事代表室 [摘要]针对基于半导体可饱和吸收镜(SESAM)锁模光纤激光器脉冲底座宽和脉冲能量小的问题展开研究，报道了一种基于线型腔结构的透/反复合双饱和吸收体(SA)被动锁模超短脉冲光纤激光器。通过增加透射式SA的方式，增加光脉冲在腔内的一次振荡周期过程中通过透射式SA的次数，提高了吸收体对光脉冲前后沿的吸收，摆脱了因SESAM调制深度较低对脉冲宽度和单脉冲能量的影响，降低了因抽运功率过大产生的色散和非线性效应对光脉冲的影响，进一步提高了单脉冲能量。最终与相同调制深度的反射式单SESAM结构相比，复合双SA锁模结构的脉冲宽度从776 fs缩短至732 fs，单脉冲能量从2.08 nJ提高到2.49 nJ。 孙俊杰，王泽锋，王蒙，曹涧秋，陈金宝 国防科学技术大学光电科学与工程学院；大功率光纤激光湖南省协同创新中心；高能激光技术湖南省重点实验室 [摘要]窄线宽掺铒光纤激光器具有线宽窄、噪声低等优点, 在光纤通信、光纤传感、相干探测和合成等方面有广泛的应用。利用自行设计并制作的π相移光纤光栅和高反射率光纤布拉格光栅(FBG), 搭建了环形腔掺铒光纤激光器, 利用π相移光纤光栅的窄带滤波特性实现了1.5 μm波段的窄线宽掺铒光纤激光输出。当980 nm半导体激光抽运功率为5 W时, 激光输出功率为1.006 W, 光-光转换效率大于20%, 中心波长为1549.45 nm, 激光线宽为5.32 pm。输出光没有残余抽运光, 表明继续增加抽运光功率可以进一步提升激光功率。通过优化设计π相移光纤光栅的透射峰带宽、FBG的反射谱和激光腔结构, 有望实现高效、高功率的单纵模激光输出。 董自凯，徐润亲，田金荣，宋晏蓉 北京工业大学应用数理学院 [摘要]提出了一种全光纤偏振输出锁模光纤激光器。在谐振腔内无滤波器件时, 利用光纤偏振分束器的偏振输出和光纤的双折射偏振滤波效应在全正色散域获得稳定的锁模脉冲序列, 脉冲重复频率为2.2 MHz, 单脉冲能量达100 nJ。利用级联偏振控制器调节腔内偏振状态, 获得了单波长和双波长锁模输出, 在1 μm波段观测到了稳定的暗孤子脉冲, 腔内偏振态的演变是获得不同锁模状态的关键性因素。双波长锁模输出状态下的波长可调谐宽度达12 nm, 利用系统透过率函数理论分析了利用腔内偏振调节实现波长调谐的原理。 王直圆，陈超，单肖楠，秦莉，张星，陈泳屹，梁磊，贾鹏，宁永强 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室；中国科学院大学 [摘要]基于激光器的增益理论和动态理论, 结合经典的激光器速率方程, 分析了激光器有源区尺寸、光纤光栅结构、耦合效率和注入电流等参数对频率噪声和弛豫振荡频率的影响。以获得低频率噪声和高驰豫振荡频率为目标, 进行数字仿真, 仿真结果表明, 较小的激光器有源区尺寸、较强的外腔光反馈和较高的注入电流有利于改善噪声特性, 其中注入电流的影响尤为重要。当注入电流为阈值电流的9倍时, 频率噪声降低约14.7%, 弛豫振荡频率增加约6.0 GHz。 唐凯，王俊杰，马明祥，徐攀，胡正良 国防科技大学海洋科学与工程研究院 [摘要]掺铒光纤激光器(EDFL)从频域的角度可以分为单纵模(SLM)掺铒光纤激光器与多纵模(MLM)掺铒光纤激光器。MLM-EDFL 属于复杂的高维动力学系统，比SLM-EDFL 拥有更多的自由度与更复杂的激光动力学特性。为理论研究分析MLM-EDFL 的频域动态特性，建立了关于EDFL 多模激光频域动力学模型，模型中将MLM-EDFL 的各个模式光场强度及其享有的增益粒子数分别作为独立的物理参量来处理，并考虑由于增益介质中铒离子对的猝灭效应而对模型引入额外的自由度；所建多模激光频域动力学模型可有效描述频域内多个模式的个体行为及集群行为，在数值研究中重现了激光频域高维动力系统所特有的多模动态特性。
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