黨文佳，高 奇，李 哲*，李 剛*

（1. 西安航空學(xué)院理學(xué)院，陜西 西安 710077；2.中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點實驗室，陜西西安710119；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

隨著光纖傳感、激光冷卻、光化學(xué)、光譜學(xué)以及醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)饫w光源輸出波長多樣化需求的不斷增加，光譜范圍在近1μm波段的可調(diào)諧光纖光源已逐漸衍生為光纖光源領(lǐng)域的一個重要分支[1]。能夠?qū)崿F(xiàn)波長調(diào)諧的光纖光源主要有4類：傳統(tǒng)摻鐿光纖激光器、拉曼光纖激光器、隨機光纖激光器以及窄帶濾波超熒光光纖光源，在這些光纖系統(tǒng)中引入波長調(diào)諧器件就能夠?qū)崿F(xiàn)不同激光波長的輸出。常采用的調(diào)諧手段有：①利用衍射光柵、可調(diào)諧濾波器等器件來實現(xiàn)波長調(diào)諧；②利用非線性效應(yīng)實現(xiàn)級聯(lián)輸出；③利用干涉效應(yīng)實現(xiàn)波長的調(diào)諧輸出。它們在波長調(diào)諧機理和方案上存在差異，且各具優(yōu)勢。目前，可調(diào)諧光纖光源的輸出功率雖然已經(jīng)從瓦量級突破了千瓦量級，但是受到放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）、非線性效應(yīng)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光譜線寬等因素的影響，很難同時獲得寬調(diào)諧范圍、高功率和高效率輸出。因此，研究高功率、寬調(diào)諧范圍的光纖光源具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

本文首先介紹這4類光纖光源的波長調(diào)諧原理以及優(yōu)缺點，綜述近幾年近1μm波段高功率可調(diào)諧光纖光源的研究進展，然后分析在功率提升和波長可調(diào)諧范圍拓展方面存在的限制因素，最后對高功率、寬調(diào)諧范圍的光纖光源的發(fā)展提出展望。

2 傳統(tǒng)可調(diào)諧光纖激光器

自1964年Snitzer等人首次在光纖中實現(xiàn)光放大以來[2]，光纖激光技術(shù)已逐漸成為光學(xué)領(lǐng)域的一個重要研究分支。隨著光纖材料、半導(dǎo)體泵浦源、光纖器件等基礎(chǔ)技術(shù)的快速發(fā)展，摻鐿光纖光源也不斷向著更大功率、更高光束質(zhì)量的方向發(fā)展，并且逐漸在工業(yè)加工、軍事國防、科學(xué)研究等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。由于摻鐿光纖（Yb-Doped Fiber, YDF）具有從950 nm到1 200 nm的熒光光譜[6]，摻鐿光纖激光器除了能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)千瓦甚至上萬瓦的光功率輸出以外，還能在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)中心波長的連續(xù)可調(diào)。目前，可調(diào)諧摻鐿光纖激光器（Tunable Yb-Doped Fiber Laser,TYDFL）主要是通過在光纖激光系統(tǒng)中引入波長調(diào)諧器件實現(xiàn)，它繼承了光纖激光器的結(jié)構(gòu)簡單、光束質(zhì)量好、功率和效率高等優(yōu)點。TYDFL可以按照不同的分類方法進行劃分，例如：①根據(jù)諧振腔類型可分為線形腔TYDFL和環(huán)形腔TYDFL兩類；②根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型可分為空間結(jié)構(gòu)TYDFL和全光纖結(jié)構(gòu)TYDFL兩類；③根據(jù)波長調(diào)諧方式可分為濾波型TYDFL、光柵型TYDFL等。本節(jié)基于線形腔TYDFL和環(huán)形腔TYDFL的分類方式來分析TYDFL的輸出特性、發(fā)展歷程以及存在的問題。

2.1 環(huán)形腔結(jié)構(gòu)可調(diào)諧摻鐿光纖激光器

環(huán)形腔TYDFL工作在行波狀態(tài)，激光在光纖系統(tǒng)內(nèi)單向傳輸，一般不使用光纖光柵等反射器件來構(gòu)成諧振腔，結(jié)構(gòu)簡單易于集成，通常包括半導(dǎo)體泵浦源、增益光纖、隔離器、泵浦合束器、激光分束器以及波長控制器件等。在縱模間隔方面，環(huán)形腔結(jié)構(gòu)一般是線形腔的兩倍，并且在輸出激光功率和輸出頻率方面，環(huán)形腔結(jié)構(gòu)往往更為穩(wěn)定[7]。

早在2001年，法國魯昂大學(xué)的A.Hideur等人已經(jīng)基于全光纖環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的TYDFL實現(xiàn)了調(diào)諧范圍為1 040~1 100 nm的激光輸出，激光線寬約為0.1 nm，受限于當(dāng)時全光纖器件的功率承載能力，全光纖環(huán)形腔結(jié)構(gòu)TYDFL的輸出功率較低，最高功率為800 mW[8]。

2002年，德國漢諾威激光中心的M.Auerbach等人搭建了Littrow-Littman腔結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔TYDFL，利用全息衍射光柵（Holographic Diffraction Grating,HDG）對波長進行調(diào)節(jié)，獲得調(diào)諧范圍為1 032~1 124 nm、最高輸出功率為10 W的線偏振激光，所有波長的線寬均小于2.5 GHz[9]。該激光系統(tǒng)為空間結(jié)構(gòu)，空間光學(xué)元件包括波片、全反射鏡、偏振分束器、衍射光柵、法拉第旋光器、透鏡等，大量的空間光學(xué)元件使得系統(tǒng)較為復(fù)雜。

2011年，英國布里斯托大學(xué)的A.Silva等人利用聲光可調(diào)諧濾波器（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）作為調(diào)諧元件搭建了空間結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔可調(diào)諧光纖振蕩器，該振蕩器能夠在1 030~1 110 nm之間以20 nm/ms的速度進行波長掃描輸出，輸出功率在0.225 W和0.435 W之間。然后，他們在振蕩器后增加了一級空間結(jié)構(gòu)的激光放大器，將功率提升至8.3~10 W之間，波長調(diào)諧范圍略減小至1 035~1 105 nm[10]。

2013年，法國波爾多大學(xué)的R.Royon等人為了使摻鐿光纖激光器能夠工作在三能級狀態(tài)，以將波長調(diào)諧范圍擴展至976~1 020 nm，進行了理論和實驗研究。他們采用大模場棒狀摻鐿光纖作為增益介質(zhì)、以AOTF作為波長調(diào)諧元件搭建了空間結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔TYDFL。該TYDFL在976~1 120 nm之間的每個波長的輸出功率均大于10 W，并在1 030 nm處獲得41 W的激光輸出，如圖1所示[11]。該TYDFL的波長調(diào)諧范圍寬達144 nm，幾乎覆蓋了摻鐿光纖的熒光光譜范圍，是目前為止調(diào)諧范圍最寬的空間結(jié)構(gòu)摻鐿光纖激光器。

圖1 (a)可調(diào)諧光纖激光器的結(jié)構(gòu)圖；(b)不同波長的最大輸出功率[11]Fig.1(a)Experimental setup of the tunable fiber laser;(b)maximum output power at different wavelengths[11]

2014年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的馮衍等人利用可調(diào)諧帶通濾波器（Tunable Bandpass Filter,TBPF）和隔離器搭建了全光纖環(huán)形激光諧振腔，其輸出波長的調(diào)諧范圍為1 000~1 099 nm。為進一步提升輸出功率，他們在諧振腔后增加了兩個全光纖激光放大器，每一級放大器之前采用TBPF來濾除放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）對放大系統(tǒng)的影響。第一級放大器后每個波長的輸出功率均大于8 W，并在1 030 nm處獲得18.2 W的激光功率，在第二個放大器之后實現(xiàn)了光譜范圍為1 012~1 090 nm、輸出功率均大于29 W的線偏振激光輸出。由于存在嚴(yán)重的ASE，當(dāng)波長大于1 090 nm時，信號光的效率降至14%[12]。從該研究結(jié)果可以看出，ASE將是限制調(diào)諧范圍拓展的重要因素。

2019年，印度科學(xué)研究所的V.Balaswamy等人搭建了由可調(diào)諧環(huán)形腔種子源和一個全光纖放大器構(gòu)成的主振蕩功率放大（Master Oscillator Power Amplifier,MOPA）結(jié)構(gòu)TYDFL。由于種子光的輸出功率和激光線寬呈冪指數(shù)關(guān)系，因此通過調(diào)節(jié)種子光功率可以控制激光線寬，放大器采用反向泵浦結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)線寬對輸出功率相關(guān)性的解耦，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的波長、功率和線寬獨立可調(diào)。其中，在2~8 W之間改變種子源功率，其激光線寬也從0.2 nm變化到1 nm；經(jīng)光纖放大器后的激光波長調(diào)諧范圍為1 050~1 100 nm，每個波長的功率均提升至100 W以上，并在1 085 nm獲得130 W的激光輸出[13]。

2020年，清華大學(xué)的閆平等人基于環(huán)形腔TYDFL研究了1 018 nm同帶泵浦技術(shù)對不同波長激光放大特性的影響。種子源是一個包含TBPF的環(huán)形腔光纖激光器，前兩級放大器采用976 nm激光二極管（Laser Diode,LD）作為泵浦源，第三個放大器采用1 018 nm光纖激光器作為泵浦源。最終，光纖激光系統(tǒng)在1 060~1 090 nm光譜范圍內(nèi)的每個波長的激光功率均大于1 kW，線寬約為100 pm，如圖2（彩圖見期刊電子版）所示[14]。在放大過程中，由于ASE、SBS以及量子虧損對每個波長的影響存在差異，故每個波長的斜率效率在79.4%~85.6%的范圍內(nèi)變化。

圖2 (a)可調(diào)諧光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)不同波長的輸出功率[14]Fig.2(a)Structural diagram of the tunable fiber laser;(b)output powers at different wavelengths[14]

2.2 線形腔結(jié)構(gòu)可調(diào)諧光纖激光器

線形腔TYDFL一般是由增益光纖、泵浦源、波長調(diào)諧器件以及具有反射鏡作用的光學(xué)元件組成，結(jié)構(gòu)簡單且激光器工作在駐波狀態(tài)。

2004年，南開大學(xué)的付圣貴等人制備了一種光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG），通過拉伸或壓縮FBG能夠調(diào)節(jié)其反射光譜，從而能夠控制光纖激光器的輸出波長。他們采用該FBG作為波長調(diào)諧器件，搭建了空間結(jié)構(gòu)的線形腔TYDFL，在1 046.6~1 062.2 nm的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了最大117 mW的激光輸出[15]。拉伸或壓縮FBG的目的是通過改變其周期從而控制其反射波長，但是FBG的形變量存在極限，因此該方案的調(diào)諧范圍僅有16 nm左右。

2005年，墨西哥光學(xué)研究中心的R.Selvas等人設(shè)計了一種新型波長調(diào)諧裝置，該裝置將單模光纖一端與長度為15 mm的105/125μm多模光纖拼接，并通過調(diào)節(jié)多模光纖與寬帶反射鏡之間的距離來實現(xiàn)波長調(diào)諧。但由于該方案存在難以避免的損耗與調(diào)節(jié)難度，他們基于該裝置僅實現(xiàn)1 088~1 097 nm的波長調(diào)諧范圍，輸出功率在460~550 mW之間，未能超過瓦量級[16]。

2007年，南開大學(xué)的李乙鋼等人采用閃耀光柵作為色散元件，分別搭建了前向與后向輸出結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧摻鐿光子晶體光纖激光器?；谇跋蜉敵鼋Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)了1 050.6~1 110.2 nm的連續(xù)可調(diào)輸出，最高功率為677 mW@1 085 nm；后向輸出結(jié)構(gòu)的波長調(diào)諧范圍為1 042.1~1 093 nm，并在1 075 nm處獲得最大輸出功率為2.21 W[17]。由于光子晶體光纖的模場面積較大，該TFL的輸出功率達到了瓦量級。

2007年，德國漢諾威激光中心的M. Hildebrandt等人以外腔半導(dǎo)體激光器（External-Cavity Diode Lasers,ECDL）作為種子源搭建了MOPA結(jié)構(gòu)的TYDFL。ECDL采用Littman-Metcalf諧振腔結(jié)構(gòu)，能夠輸出線寬為1 MHz、功率為40~65 mW、調(diào)諧范圍為1 020~1 085 nm的激光，種子光經(jīng)過兩級放大，在1 040~1 085 nm之間實現(xiàn)了超過120 W的激光輸出，但是在1 045~1 080 nm之間的激光波長ASE占比較少，輸出功率大于130 W[18]。

2007年，瑞典皇家理工學(xué)院的F.Laurell等人利用體布拉格光柵對激光器的輸出波長進行調(diào)節(jié)，在1 022~ 1 055 nm的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了最高4.3 W的激光輸出，每個波長的光譜線寬約為5 GHz，光束質(zhì)量M2<1.3[19]。2013年，他們采用橫向啁啾體布拉格光柵對波長進行鎖定，并通過優(yōu)化光柵上的光束直徑來控制激光線寬。他們僅用一個空間結(jié)構(gòu)的諧振腔，就能夠在1 064~1 073 nm的光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)100 W的波長連續(xù)可調(diào)的激光輸出。另外，他們通過推導(dǎo)光柵的衍射效率計算了系統(tǒng)的波長拓展及功率提升能力，計算結(jié)果表明該光柵能夠在1 028~1 118 nm之間實現(xiàn)1 050 W的激光輸出[20]。因此，波長調(diào)諧元件的性能是決定激光器輸出功率和調(diào)諧范圍的一個重要因素。

2008年，廈門大學(xué)的FAN Y Y等人數(shù)值模擬了反射率、光纖長度和散射損耗等參數(shù)對TYDFL系統(tǒng)的影響，并以閃耀光柵作為波長選擇器件搭建了線形腔TYDFL，獲得了調(diào)諧范圍為1 046~1 121 nm、平均功率>20 W、3 dB線寬<0.5 nm的波長連續(xù)可調(diào)的激光輸出[21]。

2016年，美國IPG公司的R.Yagodkin等人基于他們在高功率光纖激光器領(lǐng)域的技術(shù)積累，研制出了能夠?qū)φ€寬可調(diào)諧種子激光進行千瓦量級放大的光纖放大器工程模塊。放大器工程模塊由兩個預(yù)放大器和一個主放大器組成，并且系統(tǒng)中未使用可以用來抑制ASE的濾波器件。為權(quán)衡受激布里淵散射和模式不穩(wěn)定（Mode Instability,MI）兩者的閾值特性，他們對光纖長度、芯徑等參數(shù)進行了優(yōu)化。該放大器工程模塊能夠工作在1 030~1 070 nm之間的任意波長，輸出功率大于1.5 kW，光束質(zhì)量M2<1.1。在實驗中，他們發(fā)現(xiàn)MI閾值與波長相關(guān)，MI限制了長波長激光的功率提升[22]。

2017年，國防科技大學(xué)的周樸等人采用MOPA結(jié)構(gòu)同樣將TFL的輸出功率提升至千瓦量級。種子激光功率為0.6 mW、調(diào)諧范圍為1 000~1 100 nm，光纖放大器包括3個單模保偏放大器、1個大模場保偏放大器和1個主放大器。最終，在1 065~1 090 nm的光譜范圍內(nèi)，每個波長均實現(xiàn)了超過1 kW的激光輸出，線寬約為0.12 nm，如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[23]。從光譜圖中可以看出：各個波長在功率放大時，仍存在不同程度的ASE，并且波長越長，ASE占比越多，因此ASE限制了TYDFL的波長拓展與功率提升。

圖3 (a)可調(diào)諧光纖激光器的結(jié)構(gòu)圖；(b)主放大器的輸出功率；(c)主放大器的輸出光譜[23]Fig.3(a)Structural diagram of the tunable fiber laser;(b)output power in the main amplifier;(c)spectra of the lasers from the main amplifier[23]

另外，由于在光纖傳感、光譜學(xué)、計量學(xué)等方面對TFL的激光線寬要求較高，因此能夠獲得kHz或者MHz激光線寬的單頻TYDFL也成為重要的研究方向，但是由于其線寬較窄，故難以獲得較高功率輸出。2005年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的王安廷等人基于分布布拉格反射光纖激光器，在1 036.1~1 056.5 nm之間實現(xiàn)了線寬<8 MHz的激光輸出，功率為4 mW[24]；2007年，德國漢諾威激光中心的M.Engelbrecht基于Littman-Littrow結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔TYDFL，在1 017~1 043 nm之間實現(xiàn)了線寬為5 MHz的激光輸出，最大功率為31 mW[25]；2011年，清華大學(xué)的YIN F F等人基于被動多環(huán)形腔結(jié)構(gòu)（Multiple-Ring Cavity,MRC）實現(xiàn)了調(diào)諧范圍為1 020~1 080 nm、功率為100 mW的單縱模激光輸出[26]；2019年，西北大學(xué)的白晉濤等人基于雙環(huán)形器復(fù)合腔，在1 040~1 080 nm之間獲得了線寬平均為2.82 kHz的激光輸出[27]，同年他們又設(shè)計一種復(fù)合腔結(jié)構(gòu)的可調(diào)諧單頻光纖激光器，在1 030~1 090 nm之間實現(xiàn)線寬平均為8.7 kHz、最大功率為18.5 mW的激光輸出[28]。

從TYDFL的研究進展可以看出，其研究方向主要集中在波長調(diào)諧范圍拓展和輸出功率提升兩方面，并且空間結(jié)構(gòu)的環(huán)形腔TYDFL能夠獲得大于100 nm的調(diào)諧范圍，但是空間結(jié)構(gòu)的線形腔TYDFL的調(diào)諧范圍卻小于50 nm，另外兩者存在的大量空間光學(xué)元件使得系統(tǒng)較為復(fù)雜，插入損耗較大，功率難以提升。全光纖結(jié)構(gòu)的TYDFL因ASE、MI、SBS等因素的限制，在獲得千瓦量級的激光輸出的同時，難以將調(diào)諧范圍拓展至小于1 030 nm和大于1 090 nm。單頻TYDFL具有更復(fù)雜的腔結(jié)構(gòu)，并且由于其線寬極窄，輸出功率僅為毫瓦量級，如果在滿足應(yīng)用要求的前提下適當(dāng)增加激光線寬，輸出功率可以進一步提升。我們將TYDFL的研究進展在表1中進行了匯總，這樣能夠更清晰地對比其發(fā)展歷程。

表1 可調(diào)諧摻鐿光纖激光器的研究進展Tab.1 Research progress of tunable ytterbium-doped fiber lasers

3 可調(diào)諧拉曼光纖激光器

傳統(tǒng)光纖激光器的工作原理是增益介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與能級躍遷，其工作波長由摻雜離子的能帶結(jié)構(gòu)決定。而拉曼光纖激光器則是利用了光纖材料本身存在的受激拉曼散射這一非線性效應(yīng)，其工作波長由泵浦光波長和斯托克斯頻移兩者共同決定[29]，理論上可以實現(xiàn)任意波長的激光輸出。因此，通過控制泵浦波長與級聯(lián)拉曼輸出能夠?qū)崿F(xiàn)可調(diào)諧拉曼光纖激光輸出。

早在1977年，美國貝爾實驗室的Chinlon Lin等人就研究了基于衍射光柵的可調(diào)諧拉曼光纖激光器（Tunable Raman Fiber Laser,TRFL）的輸出特性，并且TRFL一階斯托克斯波長的調(diào)諧范圍為1 085~1 130 nm，二階斯托克斯波長的調(diào)諧范圍為1 150~1 175 nm[30]，這是首次在1.1μm波段實現(xiàn)可調(diào)諧拉曼光纖激光輸出。

2005年，德國漢堡-哈爾堡工業(yè)大學(xué)的S.Cierullies等人采用4個可調(diào)諧FBG、兩對波長分別為1 105 nm和1 154 nm的輔助光柵以及600 m的高拉曼增益光纖搭建了Sagnac-loop結(jié)構(gòu)的全光纖級聯(lián)TRFL，實現(xiàn)了1 110~1 230 nm的可調(diào)諧拉曼激光輸出，最大輸出功率約為700 mW[31]。

2007年，俄羅斯科學(xué)院的S.A.Babin等人采用調(diào)諧范圍為1 070~1 110 nm的TYDFL作為泵浦源，以長度為370 m的磷硅體系的摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，搭建了可調(diào)諧拉曼光纖激光器。通過改變泵浦源波長和拉曼激光諧振腔的光柵形變量，獲得了在1 250~1 300 nm之間波長連續(xù)可調(diào)的激光輸出，最高輸出功率為3.2 W@1 300 nm[32]。

2008年，加拿大拉瓦爾大學(xué)的E.Bélanger等人采用1 064 nm的摻鐿光纖激光器作為泵浦源，并利用一對可調(diào)諧FBG和125 m的HI980光纖搭建了TRFL，實現(xiàn)了1 075~1 135 nm的可調(diào)諧拉曼激光輸出，最高功率達到5 W[33]。

2010年，法國里爾大學(xué)的F. Anquez等人采用調(diào)諧范圍為1 060~1 100 nm的TYDFL作為泵浦源，利用500 m的磷硅光纖來提供拉曼增益搭建了環(huán)形腔TRFL，其中磷硅光纖的斯托克斯頻移為40 THz。TRFL的輸出波長能夠從1 240 nm連續(xù)調(diào)至1 289 nm，最高輸出功率為2.5 W@1 268 nm[34]。

為了將TRFL的功率提升至百瓦以上，2012年德國弗勞恩霍夫應(yīng)用光學(xué)與精密研究所的M.Rekas等人在可調(diào)諧拉曼振蕩器之后增加了一個拉曼放大器。拉曼振蕩器由衍射光柵和6 km的單模光纖構(gòu)成，并由1 067.5 nm的激光器進行泵浦，能夠為拉曼放大器提供功率為0.7~1 W、調(diào)諧范圍為1 118~1 130 nm的種子光，剩余的1 067.5 nm的激光經(jīng)摻鐿光纖放大器放大至300 W，為拉曼放大器提供泵浦，最終拉曼放大器在1 118~1 130 nm之間實現(xiàn)了最大208 W的可調(diào)諧拉曼激光輸出[35]。因此，從該實驗可以看出，拉曼放大器是提升TRFL輸出功率的一種有效途徑，但是拉曼光纖放大器輸出激光的波長調(diào)諧范圍也同時受限于拉曼增益譜范圍（約40 THz）[36]。

2018年，國防科技大學(xué)的周樸等人采用一個MOPA結(jié)構(gòu)的TYDFL作為拉曼激光器的泵浦源，也實現(xiàn)了百瓦級的可調(diào)諧拉曼激光輸出。TYDFL在1 055~1 080 nm之間能夠提供最大172.8 W的輸出功率；拉曼激光諧振腔由59 m的摻鍺傳輸光纖、一個寬帶光纖環(huán)形器和4%的端面反饋組成，其斜率效率約為79%，最終在1 112~1 139.6 nm之間獲得了波長連續(xù)可調(diào)的一階拉曼激光輸出，如圖4（彩圖見期刊電子版）所示，其最大輸出功率為125.3 W，但是一階拉曼激光的閾值高達40 W，并且3 dB線寬也均大于3 nm[37]。

圖4 (a)可調(diào)諧泵浦源的輸出光譜；(b)可調(diào)諧拉曼光輸出光譜[37]Fig.4(a)Output spectra of the tunable pump source;(b)output spectra of the tunable Raman laser[37]

表2 總結(jié)了可調(diào)諧拉曼光纖激光器的研究進 展，可以看出，TRFL的優(yōu)勢是能夠在摻雜光纖的發(fā)射帶以外獲得不同波長的激光輸出，但其也存在閾值高、光纖較長、激光線寬較寬等缺點。在放大過程中起振的二階拉曼光在限制一階拉曼光功率提升的同時，通過系統(tǒng)設(shè)計也可以被用來拓展波長的調(diào)諧范圍。

表2 可調(diào)諧拉曼光纖激光器的研究進展Tab.2 Research progress of tunable Raman fiber lasers

4 可調(diào)諧隨機光纖激光器

隨機光纖激光器（Random Fiber Laser,RFL）是一種不存在點式反饋器件和傳統(tǒng)意義上的諧振腔結(jié)構(gòu)的新型光纖激光器，通常由光纖中的瑞利散射效應(yīng)、隨機布拉格光柵等提供隨機反饋，并可由受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）效應(yīng)、受激布里淵散射效應(yīng)以及摻雜光纖中的稀土離子等來提供增益，因此其在相干性、光譜特性、時域特性以及統(tǒng)計特性等方面展現(xiàn)出了獨特的物理屬性[38-39]。本小節(jié)主要分析基于瑞利散射隨機反饋的可調(diào)諧隨機光纖激光器，同時拉曼增益、鐿離子發(fā)射波長以及瑞利散射的寬帶特性也為寬光譜范圍的波長調(diào)諧提供了可能性。

國防科技大學(xué)周樸團隊在隨機光纖激光器方面的研究主要集中在高功率輸出方向，但在可調(diào)諧隨機激光輸出方面也做了較多工作。2015年，他們用5 m摻鐿光纖提供鐿離子增益、采用1 km單模傳輸光纖中的瑞利散射效應(yīng)提供隨機反饋，并利用一個手動調(diào)節(jié)的TBPF來控制波長，實現(xiàn)了輸出波長能夠從1 040 nm連續(xù)調(diào)至1 090 nm的可調(diào)諧隨機光纖激光器[40]。2018年，他們利用450 m的10/125μm保偏光纖同時提供拉曼增益與隨機反饋，并在系統(tǒng)中插入波長與線寬同時可調(diào)的TBPF，實現(xiàn)了從1 095 nm至1 115 nm的波長調(diào)諧，最高輸出功率為23 W[41]。同年，他們采用MOPA結(jié)構(gòu)的TYDFL作為泵浦源，并基于半開腔結(jié)構(gòu)將1 113.76~1 137.44 nm中每個波長的輸出功率提升至100 W以上[42]。

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的馮衍課題組在寬譜可調(diào)諧隨機光纖激光器方面的研究較為深入。2016年，他們采用調(diào)諧范圍為1 020~1 080 nm的TYDFL作為泵浦源，并配合高階拉曼激射獲得了1 070~1 370 nm的可調(diào)諧隨機激光輸出[43]。2017年，為了進一步拓寬調(diào)諧范圍，他們將光纖更換為零色散波長>2μm的拉曼光纖，獲得了10階拉曼光激射，并最終在1~1.9μm的超寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)了可調(diào)諧隨機激光輸出，但是輸出功率僅為瓦量級，如圖5所示[44]。2018年，為了進一步提高輸出功率，他們采用功率為250 W、波長為1 064 nm的MOPA結(jié)構(gòu)摻鐿光纖激光器作為泵浦源，并在第9階拉曼波長（1806 nm）處獲得了100.1 W的激光輸出[45]。

圖 5 (a)可調(diào)諧隨機光纖激光器結(jié)構(gòu)圖；(b)1~1.9 μm的輸出光譜[44]Fig. 5 The configuration of the tunable fiber laser; (b) output spectra plotted from 1 to 1.9 μm[44]

印度科學(xué)研究所的V. Balaswamy在隨機光纖激光器方面的主要研究方向與馮衍課題組有相似之處，主要集中在高階激光產(chǎn)生、寬譜可調(diào)諧。他們研究工作的亮點是，提出了一種包含可變截止短通濾波器與寬帶反射鏡的反饋裝置，基于該裝置他們實現(xiàn)了調(diào)諧范圍為>450 nm的隨機激光輸出[46]，在1.1~1.5μm之間將每個波長的光譜純度提升至97%以上[47]。

表3 總結(jié)了各單位在可調(diào)諧隨機光纖激光器方面取得的研究成果。由于隨機光纖激光器的輸出波長只與泵浦波長和拉曼增益有關(guān)，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比拉曼光纖激光器更加靈活，因此其波長調(diào)諧范圍寬度高達~1 μm。

表 3 可調(diào)諧隨機光纖激光器的研究進展Tab. 3 Research progress of tunable random fiber lasers

5 可調(diào)諧超熒光光纖光源

超熒光光纖光源（Superfluorescent Fiber Source,SFS）本質(zhì)是一種ASE光源，工作在一種介于熒光與激光之間的過渡狀態(tài)。SFS不存在諧振腔結(jié)構(gòu)，輸出光譜與各個波長的凈增益相關(guān)，對于基于摻鐿光纖的SFS而言，能夠在1030~1090 nm之間獲得寬達數(shù)十納米的輸出光譜[48]。因此，在系統(tǒng)中插入TBPF能夠獲得可調(diào)諧窄帶輸出的SFS。

2009年，英國南安普頓大學(xué)的WANG P等人采用衍射光柵作為波長選擇器件搭建了空間結(jié)構(gòu)SFS，驗證了摻鐿SFS的波長可調(diào)諧輸出特性，波長調(diào)諧范圍為1034~1084 nm，輸出功率僅為135 mW[49]。

2019年，國防科技大學(xué)的周樸團隊利用線寬與波長同時可調(diào)的TBPF對超熒光光纖光源進行濾波，得到了能夠在1045~1095 nm之間連續(xù)可調(diào)的窄帶SFS信號。然后采用3級放大結(jié)構(gòu)對濾波信號進行放大，最終在1050~1075 nm之間實現(xiàn)了大于106 W的可調(diào)諧窄帶超熒光輸出[50]。

中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所從SFS理論[51]、輸出特性控制[51]、窄帶SFS放大特性[52]以及可調(diào)諧輸出等方面進行了系統(tǒng)研究。2018年，基于MOPA結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了調(diào)諧范圍為1045~1080 nm、輸出功率為30 W的可調(diào)諧窄帶SFS[53]。2020年，采用衍射光柵將寬帶SFS的光譜成分在空間展開，然后通過可移動的空間光纖耦合器可以選擇需要的波長進行進一步放大，最終使1052.4~1072.8 nm之間的每個波長均能放大至230 W以上[54]。但由于較強的重吸收以及ASE競爭，小于1050 nm的波長難以放大至較高功率。同年，基于同樣的波長調(diào)諧結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化SFS系統(tǒng)參數(shù)，在1035~1055 nm之間實現(xiàn)了大于300 W的超熒光輸出[55]。為進一步提升功率，本課題組采用TBPF對寬譜SFS進行濾波，實現(xiàn)了從1026.1 nm至1 091.5 nm的波長調(diào)諧?？烧{(diào)諧種子光經(jīng)2級預(yù)放大器和1個主放大器放大后，在1 045~1 085 nm之間實現(xiàn)了千瓦量級的可調(diào)諧超熒光輸出，如圖6（彩圖見期刊電子版）所示[56]。

圖6 (a)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；(b)不同波長的輸出功率及效率；(c)最大功率時的輸出光譜[56]Fig.6(a)Experimental setup;(b)output power and slope efficiency at different wavelengths;(c)output spectra at the maximum output power[56]

表4 對可調(diào)諧超熒光光纖光源的研究進展進行了總結(jié)，目前已實現(xiàn)kW量級的功率輸出?？烧{(diào)諧SFS的結(jié)構(gòu)比TYDFL要更加簡單，更容易實現(xiàn)波長調(diào)諧，常用來作為可調(diào)諧種子光源。另外，高功率SFS也常用作光譜組束系統(tǒng)的組束光源，摻銩光纖激光器等其他稀土摻雜光纖激光器的泵浦源，以及無散斑成像領(lǐng)域的非相干光源等。隨著研究人員對SFS更加深入地研究，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。

表4 可調(diào)諧超熒光光纖光源的研究進展Tab.4 Research progress of tunable superfluorescent fiber sources

6 總結(jié)和展望

本文對4類可調(diào)諧光纖光源的研究進展進行綜述，可知：基于摻鐿光纖優(yōu)異的高功率放大特性，可調(diào)諧摻鐿光纖激光器和可調(diào)諧摻鐿超熒光光纖光源均能夠?qū)崿F(xiàn)超過1 kW的波長調(diào)諧，但兩者的波長調(diào)諧范圍均受限于摻鐿光纖的熒光光譜范圍，并且由于ASE、SRS、短波長重吸收等問題的存在，調(diào)諧范圍內(nèi)每個波長的放大特性也存在較大差異，因此在小于1 030 nm和大于1 090 nm的光譜區(qū)間內(nèi)如何提升激光的凈增益、實現(xiàn)高信噪比的功率放大是一個重要的研究方向?？烧{(diào)諧拉曼光纖激光器和可調(diào)諧隨機光纖激光器均基于SRS提供增益，能夠在稀土離子發(fā)射帶外的波長實現(xiàn)高功率輸出，是獲得非常規(guī)波長的重要手段，目前功率已分別突破200 W和100 W，但兩者也同時存在光纖長度較長、閾值高、高階拉曼光激射等問題，造成了光譜純度較低和功率提升困難，因此在光譜拓展的同時如何抑制高階拉曼光激射并提升信號光的光譜純度仍需深入研究。另外，空間結(jié)構(gòu)可調(diào)諧光纖光源的靈活性優(yōu)于全光纖結(jié)構(gòu)光源，但隨著可調(diào)諧濾波器、可調(diào)諧光纖光柵等全光纖器件的發(fā)展，逐漸被穩(wěn)定性更高的全光纖結(jié)構(gòu)可調(diào)諧光纖光源取代。

可調(diào)諧光纖光源具有較強的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。例如在光譜組束領(lǐng)域，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所的鄭也等人利用同一個SFS獲得波長分布于1 055~1 085 nm的多路不同波長光纖光源，并基于多層介質(zhì)膜光柵實現(xiàn)了10.8 kW的功率合成[57]；在氣體光譜學(xué)領(lǐng)域，可調(diào)諧拉曼光纖激光器能夠在1~2μm之間實現(xiàn)任意波長的較高功率的激光輸出，為該應(yīng)用方向提供了一種理想光源。

雖然，可調(diào)諧光纖光源在調(diào)諧范圍拓展和功率提升方面取得了一定的進展，但在光譜控制理論、波長調(diào)諧方式等方面仍有諸多科學(xué)問題亟待解決，在光纖傳感、激光冷卻、光化學(xué)、光譜學(xué)以及醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用仍需進一步挖掘。