激光之家 | 大能量纳秒脉冲光纤激光器研究进展

来源：李尧,张昆,李政,张浩彬,余洋.大能量纳秒脉冲光纤激光器研究进展[J].激光与红外,2022,52(8):1192~1198.
作者单位：固体激光技术重点实验室，北京
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摘要：针对应用于激光主动成像系统中的大能量纳秒脉冲光纤激光器光源，介绍了实现大能量短脉冲激光输出的典型结构；概括了相关方向的国内外研究进展，分析了不同技术途径的优缺点；最后对大能量纳秒脉冲光纤激光器的应用和发展前景进行展望。

01 引言

三维成像激光雷达是通过发射激光束探测目标的距离、速度、三维轮廓等特征量的探测系统，可实现多目标成像与探测，具有角度／距离／速度分辨率高、抗干扰能力强、信息量大的特点。具有大脉冲能量、高峰值功率、高重频、窄脉宽、轻小型、低功耗等特点的纳秒脉冲光纤激光器，非常适合作为光源应用于激光主动成像系统中用于目标探测和成像制导。
近年来，受激光三维成像雷达和光电对抗的需求牵引，国内外对相关纳秒光纤激光器的研究取得了巨大进展。国外比较著名的研究机构包括美国IPG公司、英国Southampton大学、德国Friedrichschiller大学以及美国密歇根大学等，国内包括天津大学、清华大学、中国电科十一所在内的众多单位，都对该领域展现出极大的兴趣，并以提升激光能量和峰值功率为目标，相继开展了深入技术探索。
本文简要介绍了实现大能量激光输出的纳秒脉冲光纤激光器的典型结构，以及为了提升单脉冲能量国内外采取的相应技术措施及研究进展。最后对大能量纳秒脉冲光纤激光器的应用和发展前景进行展望。

02 国内外研究进展

由于单个谐振腔得到的单脉冲能量较小，脉冲光纤激光器通常采用主振荡功率放大（MOPA）结构实现大能量短脉冲输出［1-3］。如图1所示，MOPA结构脉冲光纤激光器主要由脉冲激光种子源、光纤预放大器（可能包含多级）和光纤功率放大器三部分组成。
目前主流的脉冲光纤激光器均采用调制后的半导体激光器作为种子源。与其他类型的脉冲种子源相比，半导体激光器具有调制灵活、体积小和可靠性高等突出特点。使用半导体激光调制技术，可以实现重复频率，脉冲宽度在一定范围内连续可调，也可以实现任意波形的光脉冲输出（包括三角波，正弦波，等等），并且可以利用其任意波形输出的优势来补偿放大过程中的增益饱和现象，有效抑制其放大过程中由于脉冲窄化导致峰值功率过高而出现非线性效应。

由于基本采用相同的光纤激光系统设计结构（MOPA），脉冲光纤激光器主要依据功率放大级的增益光纤区分其技术途径。市场上现有的大能量短脉冲光纤激光器，为了抑制光纤中的各种非线性效应，通常使用基于石英玻璃阶跃折射率的大模场增益光纤，来构建最后一级光纤功率放大级，从而产生所需要的脉冲输出能量。如图2所示，双包层光纤具有相对简单的结构［4］，但由于纤芯尺寸超过了单模截止条件，无法保证激光器的单模运转，造成光束质量下降。

以国外较为成熟的1 μm高功率脉冲光纤激光器代表———法国Keopsys公司制造的PYFL系列产品为例，其脉宽为1～4ns，重复频率50～400kHz，并且利用VSP（V型槽侧边泵浦）技术，可以得到60 μJ的单脉冲能量，并且具有小于1.3的良好光束质量。
在这种脉冲光纤激光器中，由于增益光纤较长，极大地限制了它们的最大输出能量。例如对于脉冲宽度为10 ns量级的激光脉冲，如果要具有良好的光束质量和较窄的光谱宽度，最大的单脉冲能量仅达百μJ量级，这主要受到增益光纤中受激拉曼散射（SRS）和交叉相位调制（XPM）等非线性效应的限制。由于较强的非线性效应，放大后的激光光谱宽度将展宽至～10 nm，无法满足激光三维成像雷达系统的使用要求。

在过去的近十年中，已经有大量的努力来应对这一挑战，主要的技术途径为采用光子晶体光纤、手性耦合光纤、硅酸盐玻璃光纤等新型光纤作为功率放大级的增益光纤来抑制激光放大过程中产生的非线性效应。
2.1 光子晶体光纤
光子晶体光纤（PCF）又被称为微结构光纤。如图4所示，光子晶体光纤横截面上有较复杂的折射率分布，通常含有不同排列形式的气孔，这些气孔的尺度与光波波长大致在同一量级且贯穿器件的整个长度，光波可以被限制在低折射率的光纤芯区传播［5］。

在具有超大纤芯直径的棒状光子晶体光纤中，早就演示了可以产生单脉冲能量达到数mJ级的能力。2013年，美国诺格公司采用纤芯直径100 μm的光子晶体光纤作为增益介质，获得了峰值功率1.5 MＷ，单脉冲能量2.3 MJ，脉冲宽度1.55 ns，线宽60 GHz的脉冲激光输出［6］。

但光子晶体光纤尚未在商用脉冲光纤激光器系统得到广泛应用，主要原因在于其缺少信号激光和泵浦激光耦合的全光纤解决方案，不得不使用类似于固体激光器中脆弱的自由空间光耦合方案，这样就完全失去了光纤激光器本身的最大优点，也就是其高度的紧凑性和可靠性。
2.2 手性耦合纤芯光纤
手性耦合纤芯光纤（CCC光纤）的芯径比传统的大模场面积双包层光纤大得多，并且能够实现单模输出。如图6所示，CCC光纤由中心的导引纤芯和至少一根螺旋型围绕在中心纤芯周围的卫星纤芯组成［7］。中心的导引纤芯芯径通常在30 μm以上，对信号光起传输和放大的作用；卫星纤芯芯径通常约10 μm，对在中心导引纤芯中传输的光起着模式控制的作用。

这种结构设计可以有选择的将中心纤芯中的高阶光学模耦合到卫星纤芯中，同时只有LP01模在中心纤芯中传输。当满足准相位匹配条件时，中心导引纤芯中的高阶模耦合进卫星纤芯中。合适的卫星纤芯参数和螺旋周期可以导致耦合进入卫星纤芯的光模式产生高损耗，并被迅速损耗掉，使中心纤芯中仅剩下基模，并以近乎无损耗的状态进行传输，从而实现有效单模工作。这种概念可以应用到非常大芯径的光纤的设计中。
近年来，多个研究机构采用CCC光纤取得了巨大进展。早在2013年，美国密歇根大学采用纤芯直径55 μm的CCC光纤作为增益介质，获得了单脉冲能量9.1 mJ的脉冲激光输出，具体实验结果如图7所示［8］。由于CCC光纤制备工艺复杂，暂未获得进一步的成熟应用。

2.3 硅酸盐玻璃光纤
传统的有源石英光纤的稀土掺杂浓度低，光纤长度较长，不利于光束的远程传播和高功率光纤激光器的发展。硅酸盐玻璃光纤稀土掺杂浓度很高，比石英光纤高2个数量级，可以利用很短长度的光纤实现高增益。
图8是双包层保偏铒镱共掺杂的大模场硅酸盐玻璃光纤的截面。这种光纤具有纤芯尺寸大、数值孔径小、非线性阈值高等特点。因此，尽管这种大模场增益光纤纤芯直径比大多数市售类似的掺铒光纤产品大得多，但由于其独特的设计（NA＜0.04），激光输出的光束质量仍然可以保持几乎衍射极限模式。

2018年，美国Advalue公司利用此种光纤，研制了首台大脉冲能量硅酸盐玻璃光纤脉冲光纤激光器。在傅里叶变换受限线宽极限下，其输出单脉冲能量超过了1.8 mJ［9］，如图9所示。

这种玻璃光纤的独特性在于其非常高的稀土离子掺杂，使其在很短的大模场增益光纤中产生高光学增益，输出单模场的高能量激光脉冲。利用这种特殊的增益光纤组成的光纤激光器，大幅度提高了非线性光学效应的阈值，并保持高光束质量。但硅酸盐玻璃光纤的熔点低于普通的石英光纤，在两种光纤的高质量熔接工艺上还需开展进一步探索。
2.4 锥形光纤
随着光纤激光振荡器与放大器功率水平的不断提升，诸如泵浦亮度、光纤热损伤、光纤端面损伤、热透镜效应、模式不稳定以及各种非线性效应等限制高功率光纤激光功率提升的因素不断显现，光纤纤芯在较长尺度上变化的长锥形光纤受到关注。长锥形光纤由于其自身纤芯直径随长度变化的特点，在抑制SBS、SRS方面有先天的优势。俄罗斯科学院、芬兰坦佩雷理工大学、加拿大国家光学所相继报道了长锥形光纤的理论研究以及在光纤激光振荡器和放大器中的应用。
图10为锥形光纤的结构示意图。光纤输入端为35／250 μm光纤，长度1 m；中间的锥形部分为从250 μm到400 μm的锥形区，长度0.7 m；输出端为56／400 μm光纤，长度1 m。35／250 μm光纤段的盘绕直径的设计对于滤除高阶模式和确保在锥形区域放大激光的最佳模式质量至关重要。

2017年，俄罗斯科学院报道了一种反向泵浦的大模面积高掺镱保偏锥形光纤新型放大结构［10］。放大信号在锥形光纤的窄端传播而不进行放大，在锥形光纤的粗端获得极高的增益。在这种情况下，可直接从放大器获得高峰值功率。8 ps脉冲放大后峰值功率高达0.76 MＷ，继续增长受到SRS的限制。28 ps啁啾脉冲可从放大器直接放大到0.35 MＷ的峰值功率，然后以70%的效率压缩到（315±10）fs，此时对应于22 MＷ的峰值功率。
由此可见，长锥形光纤作为高功率光纤激光系统中的增益介质，具有光束质量优良、可支持高峰值功率大脉冲能量的优点，虽然目前以空间耦合结构居多，在集成度和稳定性上有所欠缺，但具有面向高峰值功率、大脉冲能量、单频窄线宽脉冲激光器的发展趋势。
在高峰值功率纳秒脉冲光纤激光器的研究方面，目前国内的相关研究主要集中于石英光纤放大器的研究，研究单位包括天津大学、国防科技大学、深圳大学等等，但是输出激光的光束质量和光谱宽度无法满足激光主动成像系统的要求。目前清华大学采用光子晶体光纤方案开展了相关研究。
2014年，天津大学报道了一种基于MOPA结构的纳秒脉冲光纤激光器，经过多级放大后使用0.78 m纤芯内包层直径为50／400的双包层掺镱光纤作为增益介质，在976 nm激光泵浦下，最终得到了脉宽3.3 ns，峰值功率709 kＷ，重复频率10 kHz，单脉冲能量2.34 mJ的脉冲激光输出，如图11所示［11］。

2015年，国防科技大学报道了三级级联MOPA结构的纳秒脉冲光纤激光器。通过在功率放大级采用低数值孔径的双包层掺镱光纤抑制激光放大过程中的SRS，实现了最大输出功率736 Ｗ、重复频率1.9 MHz、脉冲宽度6.47 ns的激光输出，对应单脉冲能量0.39 mJ，峰值功率64 kＷ，如图12所示［12］。

2017年，深圳大学报道了一种基于MOPA结构直接调制种子源的1 μm脉冲光纤激光器，通过调节驱动电流脉冲进而控制输出激光脉冲宽度、形状以及重复频率，结构如图13所示。经过一级预放后使用7 m长纤芯／内包层直径为30／250 μm的掺镱光纤作为增益介质，最终在80nS的脉宽下得到了1.4 mJ的脉冲激光输出，光束质量约为1.7，光光效率约为67%［13］。

2012年，清华大学报道了一种基于MOPA结构掺镱光子晶体光纤作为增益介质的脉冲光纤激光器，如图14所示。其在1063 nm重复频率1.5 MHz，脉宽2 ns的条件下得到了88 Ｗ的平均功率，最大峰值功率为112kＷ，半峰全宽小于0.065 nm，且得到了小于1.3的良好光束质量［14］。

国防科技大学基于大模场长锥形增益光纤特殊的结构设计和强泵浦吸收特性，实现了全光纤结构单频光纤放大器中SBS、TMI和ASE等多重受限因素的综合抑制，获得了输出功率达550Ｗ高光束质量单频光纤激光输出［15］，如图15所示。

综上所述，应用于激光三维成像系统的纳秒脉冲光纤激光器通常采用MOPA结构，并依据功率放大级增益光纤区分其技术途径。受限于非线性效应，商用脉冲光纤激光器（基于石英阶跃折射率光纤）的单脉冲能量仅为0.1 mJ量级；若采用光子晶体、3C、磷酸盐玻璃、锥形光纤等新型光纤，可将单脉冲能量提升至10 mJ量级，更好地满足激光主动成像系统的应用需求。

03 发展与展望

以光子晶体光纤、CCC光纤、硅酸盐玻璃光纤、锥形光纤等新型光纤为代表的光纤激光器各有特点，逐渐发展为实现MJ级脉冲光纤激光最有前景的技术路径之一。未来的大能量短脉冲纳秒光纤激光器致力于获得结构简单、模式稳定和抗环境干扰能力强等优点，作为三维成像激光雷达系统中的光源，具有广阔的应用前景。

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