0.9～1.0 μm 近紅外連續(xù)光纖激光器的研究進(jìn)展

黨文佳 ，李 哲，盧 娜，李玉婷，張 蕾，田 曉

（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(jī)械研究所瞬態(tài)光學(xué)與光子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710119；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

1 引言

光纖激光器因在輸出功率、光束質(zhì)量、電光效率以及穩(wěn)定性等方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，逐漸成為工業(yè)制造、生物醫(yī)療以及軍事國防等應(yīng)用領(lǐng)域的主流激光光源[1-2]。光纖激光器一般采用稀土離子摻雜光纖作為增益介質(zhì)，其工作波長由稀土離子能級(jí)結(jié)構(gòu)決定，且只能局限在特定波段。通常，光纖激光器容易獲得波長>1μm 的高功率激光輸出，例如摻鐿光纖激光器在1 070 nm 波長已實(shí)現(xiàn)20 kW 的單纖輸出功率[3]，摻鉺光纖激光器在1 601 nm 波長處已實(shí)現(xiàn)656 W 的激光輸出[4]，摻銩光纖激光器在2 050 nm 波長處已獲得1 kW 的激光輸出[5]。雖然上述每一類光纖激光器的輸出功率已達(dá)數(shù)百瓦甚至萬瓦量級(jí)，而在0.9～1.0μm波長范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高功率短波紅外激光輸出卻存在較大難度，輸出功率仍在百瓦水平。

光纖激光器的增益機(jī)制主要分為兩種類型：一是由稀土離子中電子能級(jí)躍遷所釋放的能量來提供增益，如摻鐿光纖激光器、摻釹光纖激光器；另一類是由受激拉曼散射效應(yīng)（Stimulated Raman Scattering,SRS）、受激布里淵散射效應(yīng)等來提供非線性效應(yīng)增益，如拉曼光纖激光器、隨機(jī)光纖激光器。以上兩類增益機(jī)制的光纖激光器都具有獲得<1μm 波長激光的能力。另外，光纖激光器將光束約束在近似一維結(jié)構(gòu)的光纖波導(dǎo)中，可以實(shí)現(xiàn)更高亮度與光束質(zhì)量的激光輸出，并且在高亮度泵浦源、非線性頻率轉(zhuǎn)換等應(yīng)用領(lǐng)域的表現(xiàn)已優(yōu)于半導(dǎo)體激光器（Laser Diode,LD）。

目前，波長為0.9～1.0μm 的高亮度光纖激光技術(shù)已逐漸成為光纖激光器領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，并在高功率藍(lán)光和紫外激光產(chǎn)生、高功率單模泵浦源、生物醫(yī)學(xué)以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用需求。因此，本文對(duì)基于這兩類增益機(jī)制的波長為0.9～1.0μm 的近紅外連續(xù)光纖激光器的研究進(jìn)展進(jìn)行了詳細(xì)梳理，對(duì)各類型光纖激光器的特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)目前存在的技術(shù)瓶頸及解決途徑進(jìn)行了深入分析，最后對(duì)短波紅外光纖激光器的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

2 基于稀土離子增益的0.9～1.0μm近紅外光纖激光器

2.1 摻釹（Nd）光纖激光器

釹離子是最早用于激光器的三價(jià)稀土離子，其在磷酸鹽玻璃中的最強(qiáng)發(fā)射峰位于900 nm、1 053 nm 和1 330 nm，在硅玻璃中的最強(qiáng)發(fā)射峰位于950 nm、1 065 nm 和1 320 nm，因此具有900～950 nm 的近紅外發(fā)射波長[6-8]。早在1986 年，英國Southampton 大學(xué)的I.P.Alcock 等人就報(bào)道了采用摻釹光纖實(shí)現(xiàn)3.4 mW 的0.9μm 連續(xù)激光輸出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[9]。但由于單模增益光纖的模場面積小，較高的功率密度容易造成纖芯損傷，故單模光纖激光器輸出功率一般為mW 量級(jí)。

隨著增益光纖制造工藝水平的提升，大芯徑雙包層摻釹光纖激光器的輸出功率逐漸提升至數(shù)十瓦量級(jí)，但大纖芯直徑光纖中易形成多模運(yùn)轉(zhuǎn)，從而造成輸出激光的光束質(zhì)量下降。2004 年，南安普頓大學(xué)的D.B.S.Sohl 等人研制出908～938 nm內(nèi)的波長可調(diào)的摻釹雙包層光纖激光器，最大輸出功率為2.4 W@926 nm[10]。2013 年，M.Laroche等人報(bào)道了纖芯/內(nèi)包層直徑分別為（20/80）μm的摻釹光纖，實(shí)現(xiàn)了1 060 nm 和910 nm 的雙波長激光輸出，其中910 nm 激光的輸出功率為20 W[11]。2015 年，B.Leconte 等人采用纖芯/包層直徑為（20/60）μm、纖芯/包層數(shù)值孔徑為0.07/0.45 的摻釹光纖，實(shí)現(xiàn)了22 W 的915 nm 連續(xù)激光輸出[12]。

研究人員發(fā)現(xiàn)通過對(duì)增益光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠獲得更大的模場面積和單模傳輸特性，從而可以實(shí)現(xiàn)更高功率、高光束質(zhì)量的0.9～1.0μm 近紅外光纖激光輸出。2016 年，P.H.Pax等人基于優(yōu)化的光子晶體光纖（Photonic Crystal Fiber,PCF），并利用808 nm 和880 nm 的LD 進(jìn)行混合泵浦，獲得了26.7 W 的925 nm 連續(xù)激光輸出，其中斜率效率為35%，如圖1 所示[13]。2020年，Alexandre Barnini 等人基于自主研制的低數(shù)值孔徑大模場摻釹光纖，獲得了功率為17 W、光束質(zhì)量為M2=1.1 的921 nm 光纖激光[14]。另外，2011 年，X.Délen 等人采用Nd∶YAG 單晶光纖作為增益介質(zhì)，在86 W 泵浦功率時(shí)獲得34 W的946 nm 的激光輸出[15]。該實(shí)驗(yàn)中單晶光纖的直徑為1 mm，較大的直徑使其模式控制能力弱于普通雙包層光纖和光子晶體光纖，導(dǎo)致其光束質(zhì)量劣化，M2<5。但是單晶光纖的散熱能力和輸出光束質(zhì)量又優(yōu)于一般晶體材料，故其仍可作為一種實(shí)現(xiàn)高功率0.9～1.0μm 近紅外光纖激光輸出的優(yōu)良增益介質(zhì)。

圖1 （a）摻釹光纖激光器系統(tǒng)原理圖；（b）雙波長泵浦摻釹光纖激光器的輸出功率[13]Fig.1 (a)Schematic diagram Nd-doped fiber laser;(b)output power of dual wavelength pumped Nd fiber laser[13]

總的來說，Nd3+摻雜光纖要獲得900～950 nm的高功率激光，主要挑戰(zhàn)來自于4F3/2→4F9/2躍遷的3 能級(jí)性質(zhì)及其與4F3/2→4F11/2（1 050～1 150 nm）和4F3/2→4F13/2（1 330 nm）2 個(gè)4 能級(jí)躍遷的競爭；另一個(gè)是Nd3+在硅中的溶解度較低，低濃度Nd3+不利于獲得理想的光譜參數(shù)。

2.2 摻鐿（Yb）光纖激光器

相比于摻釹光纖激光器，摻鐿光纖激光器具有Yb3+離子能級(jí)結(jié)構(gòu)簡單、上能級(jí)壽命長、量子虧損小、無激發(fā)態(tài)吸收及無上轉(zhuǎn)換損耗等優(yōu)點(diǎn)，并且其發(fā)射光譜范圍為950～1 200 nm，因而成為實(shí)現(xiàn)高功率短波紅外激光輸出的最重要激光器類型。波長小于1μm 的摻鐿光纖激光器的工作波長一般在976 nm 附近。此類激光器要工作于3 能級(jí)狀態(tài)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)比率要大于50%，從而導(dǎo)致泵浦閾值高、放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）強(qiáng)、放大效率低等問題，使其功率提升面臨巨大挑戰(zhàn)[16-18]。

關(guān)于0.9～1μm 近紅外摻鐿光纖激光器的研究最早開始于20 世紀(jì)90 年代。1990 年，英國南安普頓大學(xué)D.C.Hanna 等人采用單模單包層光纖作為增益介質(zhì)、染料激光器作為泵浦源，實(shí)現(xiàn)了9.3 mW 的974 nm 激光輸出[19]。2000 年，L.A.Zenteno 等用946 nm 的Nd∶YAG 激光器正向泵浦單包層單模光纖，獲得0.655 W 的979.8 nm 激光輸出[20]。2009 年，北京工業(yè)大學(xué)的S.Zou 等人采用單模單包層光纖獲得1.32 W 的980 nm 激光輸出[21]。2011 年，M.Laroche 等人利用主振蕩功率放大（Master Oscillator Power Amplified,MOPA）方案實(shí)現(xiàn)了2.1 W 的980 nm 全光纖激光器[22]?；趩伟鼘釉鲆婀饫w的激光器需要泵浦光直接耦合進(jìn)纖芯，對(duì)泵浦源的亮度、泵浦光耦合效率等要求較高，其輸出功率只能維持在W 量級(jí)。

隨著對(duì)0.9～1μm 近紅外光纖激光器理論更進(jìn)一步地完善，科研人員發(fā)現(xiàn)雙包層增益光纖的纖芯/包層比值（芯包比）是決定976 nm 摻鐿光纖激光器效率的一個(gè)重要因素，并且對(duì)激光光譜、功率等輸出特性具有重要的影響[23]。因此，隨著大芯包比增益光纖的運(yùn)用，0.9～1μm 近紅外摻鐿光纖激光器的輸出功率有了大幅提升。2015 年，中國工程物理研究院的王巖山等人對(duì)增益光纖參數(shù)與輸出特性之間的關(guān)系進(jìn)行了理論研究，結(jié)果表明增大增益光纖芯包比能夠有效抑制ASE。同時(shí)，他們采用中心波長為981.7 nm 光纖光柵、915 nm 泵浦源、纖芯/內(nèi)包層直徑為（20/130）μm雙包層光纖和纖芯/內(nèi)包層直徑為（60/130）μm 雙包層光纖搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的激光器，獲得了16.7 W 的981.7 nm 的激光輸出[24]。

2016 年，國防科技大學(xué)的許曉軍課題組分別采用980 nm 單模LD 和975 nm 單模LD 作為種子源，并分別采用纖芯/內(nèi)包層直徑為（20/130）μm和（60/130）μm 的雙包層光纖搭建了光纖放大器，研究了激光放大過程中的放大效率、ASE 等問題，在波長為980 nm 處實(shí)現(xiàn)了6.8 W 的激光輸出[25]。2019 年，該課題組采用激光二極管提供種子光，并以纖芯/內(nèi)包層直徑為（60/130）μm、纖芯/內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.1/0.46 的雙包層摻鐿光纖搭建了雙向泵浦結(jié)構(gòu)的放大器，在976 nm 波段實(shí)現(xiàn)了100 W 的激光輸出，如圖2 所示。雖然該激光器為多模輸出，但其亮度比同等功率的多模LD提升了6 倍[26]。這是國際上首次基于雙包層光纖實(shí)現(xiàn)百瓦量級(jí)976 nm 激光輸出，但大纖芯直徑造成了其光束質(zhì)量的劣化。

圖2 （a）實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖；（b）輸出功率與注入抽運(yùn)光功率的關(guān)系；（c）最高輸出功率時(shí)的光譜圖[26]Fig.2 (a)Diagram of the experimental setup;(b)output power versus pump power;(c)spectrum at the highest output power[26]

為了在摻鐿增益光纖中實(shí)現(xiàn)高功率的976 nm波段激光輸出，并同時(shí)抑制4 能級(jí)起振和3 能級(jí)重吸收，研究人員除了使用大芯包比的雙包層增益光纖和高亮度泵浦源外，還采用了空氣外包層光纖、光子晶體光纖、錐形光纖以及棒狀光纖等多種波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的光纖類型，都實(shí)現(xiàn)了較高功率的0.9～1μm 近紅外光纖激光輸出[27]。

2003 年，英國南安普頓大學(xué)的R.Selvas 等人采用長度為1.2 m 的空氣外包層（Jacketed Air-Clad,JAC）摻鐿光纖作為增益介質(zhì)，其中纖芯/內(nèi)包層直徑為（9/20）μm，纖芯/內(nèi)包層數(shù)值孔徑為0.1/0.7，獲得最大輸出功率為1.4 W 的977 nm 單模激光。相比于傳統(tǒng)的雙包層摻鐿光纖，該光纖增大了內(nèi)包層的數(shù)值孔徑，大大提高了泵浦耦合效率[28]。同年，他們將增益光纖的纖芯/內(nèi)包層直徑優(yōu)化為（10/28）μm、纖芯/內(nèi)包層數(shù)值孔徑優(yōu)化為0.1/0.5。同時(shí)，將光纖長度縮短至0.4 m 以減少3 能級(jí)重吸收，在諧振腔內(nèi)插入雙色鏡來抑制4 能級(jí)振蕩，最終將977 nm 光纖激光的輸出功率提升至3.5 W[29]。

由于大芯徑棒狀摻鐿PCF 在提高模場面積和數(shù)值孔徑的同時(shí)能夠保證較高的光束質(zhì)量，國內(nèi)外多家單位先后采用該類光纖作為增益介質(zhì)對(duì)0.9～1μm 近紅外光纖激光器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，并獲得了高達(dá)百瓦級(jí)的激光功率。2008年，德國耶拿大學(xué)的F.R?ser 等人采用1.2 m 長的（80/200）μm 大芯徑棒狀摻鐿PCF 搭建了雙程空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了94 W 的980 nm 連續(xù)激光輸出，其中斜效率約為63%、光束質(zhì)量M2=2.2[30]。2008 年，法國波爾多大學(xué)的Johan Boullet 等人討論了泵浦強(qiáng)度、泵浦吸收飽和以及3 能級(jí)和4 能級(jí)激光系統(tǒng)之間的增益競爭等參數(shù)對(duì)光纖激光系統(tǒng)的影響。同時(shí)，以纖芯/內(nèi)包層直徑為（80/200）μm 的大芯徑棒狀摻鐿PCF 作為增益介質(zhì)搭建了空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，并在諧振腔內(nèi)插入波長選擇元件來抑制1 030 nm 波段的寄生振蕩，在230 W 泵浦功率時(shí)獲得功率為94 W、斜效率為48%的977 nm激光輸出[31]。2013 年，他們基于長度為1.16 m、纖芯直徑為80μm、數(shù)值孔徑為0.02 的大芯徑棒狀摻鐿PCF 以及聲光可調(diào)諧濾波器，實(shí)現(xiàn)了波長調(diào)諧范圍為976～1 120 nm 的激光輸出，光束質(zhì)量為M2=1.3±0.1，其中最小輸出功率為10 W@990 nm，并在976 nm獲得25 W 的激光輸出[32]。

國內(nèi)也有研究單位基于PCF 實(shí)現(xiàn)了0.9～1μm近紅外光纖激光輸出。2011 年，北京工業(yè)大學(xué)的李平雪等人分別采用纖芯/包層直徑為（40/170）μm和（40/200）μm 的光子晶體光纖分別獲得了1.24 W和1.1 W 的980 nm 光纖激光[33]。2013 年，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的何兵等人基于纖芯直徑為85μm、長度僅為0.36 m 的棒狀PCF 作為增益介質(zhì)搭建了空間結(jié)構(gòu)的光纖激光器，通過調(diào)節(jié)諧振腔結(jié)構(gòu)分別在3 能級(jí)和4 能級(jí)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了978 nm 和1 030 nm 的激光輸出，輸出功率分別為7 W 和13.6 W[34]。

但是，這些外光纖激光系統(tǒng)均是采用空間結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差。因此，基于全光纖結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高功率的0.9～1μm 近紅外激光輸出是未來發(fā)展趨勢(shì)。同時(shí)，如何提高光纖激光器的光束質(zhì)量也是需要解決的關(guān)鍵問題。

增益光纖的纖芯和包層直徑沿光纖軸向逐漸變化，具有新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的增益光纖不僅能夠提高泵浦光的耦合效率，同時(shí)還保證了較高的光束質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)單模0.9～1μm 近紅外光纖激光輸出提供了可行的技術(shù)途徑。2014 年，萊布尼茨光子技術(shù)研究所的M.Leich 等人基于粉末燒結(jié)技術(shù)制作了具有階躍折射率的摻鐿光纖預(yù)制棒，經(jīng)過拉絲塔拉制出大纖芯直徑、高數(shù)值孔徑光纖。其中，增益光纖一端纖芯直徑為126μm，通過拉錐技術(shù)將另一端纖芯直徑從126μm 拉制到10μm，并與一個(gè)含有FBG 的單模光纖熔接。最終，一段長度為0.95 m 的錐形光纖獲得了10 W 的976 nm單模激光輸出[35]。2018 年，俄羅斯科學(xué)院光纖研究中心的S.S.Aleshkina 等人研制出纖芯直徑沿光纖軸向兩端大、中間小的鞍型摻鐿光纖。光纖兩端的纖芯/包層直徑約為（20/80）μm，中間部分的纖芯/包層直徑為（12/49）μm，中間較小的纖芯直徑只允許較少的激光模式傳輸，從而可以達(dá)到優(yōu)化光束質(zhì)量的目的。他們基于該光纖搭建了全光纖激光系統(tǒng)，獲得了10.6 W 的976 nm 單模光纖激光輸出[36]。

全固態(tài)光子帶隙光纖（Photonic Bandgap Fiber，PBF）是一種基于帶隙效應(yīng)導(dǎo)光且能夠?qū)崿F(xiàn)單模激光輸出的大模場光纖，其包層一般由基質(zhì)材料和周期性嵌入的高折射率棒組成[37]。PBF 具有大模場面積、低損耗、低非線性、可控色散特性、可控折射率分布、低彎曲損耗等特性，并且其纖芯波導(dǎo)僅支持有限波長帶寬的激光傳輸，能夠有效抑制976 nm 激光器中的長波長激光起振。2018年，美國的克萊姆森大學(xué)Liang Dong 課題組研制了纖芯/內(nèi)包層直徑為（25/125）μm 的雙包層全固態(tài)PBF，實(shí)現(xiàn)了27.8 W 的976 nm 激光輸出，轉(zhuǎn)換效率為36.3%[38]。2019 年，他們?cè)O(shè)計(jì)了基于多包層諧振來抑制高階模的新型全固態(tài)PBF，其纖芯為對(duì)角長24μm、對(duì)邊長21μm 的六邊形，包層為對(duì)角長131μm、對(duì)邊長124μm 的六邊形。采用該全固態(tài)PBF 搭建了全光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了151 W的978 nm 單模激光輸出，其中光束質(zhì)量為Mx2=1.25、My2=1.24，斜率效率為63%，如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[39]。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果是目前該波段光纖激光器輸出功率的最高記錄。

法國波爾多大學(xué)的研究人員們基于大芯徑棒狀摻鐿PCF 實(shí)現(xiàn)了94 W 的空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，他們還致力于全光纖結(jié)構(gòu)的單模光纖激光器的研究。2019 年，法國波爾多大學(xué)的Nicolas Valero 等人基于自主研制的大模場八邊形雙包層摻鐿光纖搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了29.3 W 的976 nm 單模線偏振激光輸出，光束質(zhì)量為M2=1.2[40]。2020 年，他們優(yōu)化了光纖參數(shù)，研制出纖芯/包層直徑為（35/125）μm 的大模場八邊形雙包層摻鐿光纖。該包層結(jié)構(gòu)能夠增大基模和高階模之間的彎曲損耗差值?；谠摴饫w他們最終獲得了39 W 的976 nm 光纖激光輸出，如圖4（彩圖見期刊電子版）所示[41]。

圖3 （a）光纖激光器示意圖；（b）測量的輸出功率與泵浦功率的關(guān)系；（c）不同功率下的輸出光譜[39]Fig.3 (a)Schematic diagram of the monolithic fiber laser;(b)measured output versus pump power;(c)measured output spectra for the double-pumped laser under various output powers[39]

圖4 （a）光纖激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；（b）976 nm 激光在不同功率下的輸出光譜；（c）976 nm 激光輸出功率[41]Fig.4 (a)Configuration of the monolithic fiber laser;(b)output spectra for 976 nm laser at different average output powers;(c)output power for the 976 nm signal[41]

從萊布尼茨光子技術(shù)研究所的拉錐光纖、俄羅斯科學(xué)院光纖研究中心的鞍型光纖、美國克萊姆森大學(xué)的全固態(tài)光子帶隙光纖到法國波爾多大學(xué)的凹陷內(nèi)包層光纖，都是對(duì)光纖的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以達(dá)到提升輸出功率和光束質(zhì)量的目的。其中光子帶隙光纖最有實(shí)現(xiàn)高功率輸出的潛力，但由于光纖結(jié)構(gòu)復(fù)雜、光纖拉制工藝難度較大，國內(nèi)目前還沒有相關(guān)的研究報(bào)道。

另外，工作波長位于976 nm 波段的單頻摻鐿光纖激光器具有線寬窄、信噪比高、波長穩(wěn)定等特點(diǎn)，特別是在光纖傳感、激光雷達(dá)以及非線性頻率轉(zhuǎn)換等方面具有重要應(yīng)用，因而976 nm 波段的單頻摻鐿光纖激光器也成為光纖激光光源領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[42]。但是，由于976 nm 單頻光纖激光器的光譜線寬較窄，其輸出功率目前僅為十瓦量級(jí)。目前，976 nm 單頻線偏振光纖激光器的主要研究單位為美國NP Photonic 公司和美國亞利桑那大學(xué)，表1 對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行了匯總。

表1 976 nm 單頻光纖激光器研究進(jìn)展Tab.1 Research progress of the 976 nm single frequency fiber laser

3 基于非線性效應(yīng)增益的0.9～1μm近紅外光纖激光器

傳統(tǒng)光纖激光器依賴于增益介質(zhì)在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后的受激輻射，其工作波長由摻雜離子的能帶結(jié)構(gòu)決定。而基于非線性效應(yīng)增益的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拉曼頻移兩者共同決定[48]。因此，由SRS 提供非線性效應(yīng)增益的拉曼光纖激光器和隨機(jī)光纖激光器具有靈活的輸出波長和較寬的增益帶寬，直接采用LD 對(duì)其泵浦，能夠獲得0.9～1μm 近紅外波段的激光輸出。由于光纖材料的拉曼增益主要決定于泵浦光強(qiáng)度、拉曼增益系數(shù)（材料本身的性質(zhì)）以及光纖長度，故上述兩種光纖激光器均采用較長的被動(dòng)光纖作為增益介質(zhì)，從而具有增益高、噪聲低、熱分布均勻以及無光暗化效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。目前，主要是俄羅斯科學(xué)院的S.A.Babin 課題組在從事這方面的研究，他們?cè)?.9～1μm 近紅外光纖激光理論和實(shí)驗(yàn)方面均取得了一定的研究進(jìn)展。

通常，0.9～1μm 近紅外拉曼光纖激光器由光纖光柵和多模漸變折射率（Gradient-index,GRIN）光纖構(gòu)成諧振腔，并直接采用多模LD 對(duì)GRIN光纖進(jìn)行泵浦以實(shí)現(xiàn)拉曼光輸出和亮度提升。2013 年，俄羅斯科學(xué)院的S.A.Babin 課題組采用938 nm 的多模LD，對(duì)長度為4.5 km、纖芯/包層直徑為（62.5/125）μm 的GRIN 光纖進(jìn)行泵浦，獲得了3 W 的980 nm 激光輸出[49]。2016 年，他們把泵浦源波長更換為915 nm，并將GRIN 光纖的長度縮短至2.5 km，獲得了4 W 的954 nm 的光纖激光輸出[50]。2017 年，該課題組通過進(jìn)一步優(yōu)化文獻(xiàn)[50]中的系統(tǒng)參數(shù)，將954 nm 激光的輸出功率分別提升至10 W[51]和50 W[52]。2018年，他們采用長度為1.1 km、纖芯/包層直徑為（100/140）μm 的大芯徑GRIN 光纖來提高二階拉曼光的激發(fā)閾值，獲得了功率為62 W、光束質(zhì)量M2<3 的954 nm 激光輸出，如圖5 所示[53]。2019，該課題組又采用938 nm 泵浦源、976 nm 光纖光柵以及1 km 長的纖芯/包層直徑為（100/140）μm的GRIN 光纖搭建了拉曼光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了49.1 W 的976 nm 激光輸出，其中光束質(zhì)量M2≤2，斜率效率為70%[54]。需要特別指出的是，上述所有研究均直接采用多模LD 對(duì)km 量級(jí)長度的大芯徑GRIN 光纖進(jìn)行抽運(yùn)，由于GRIN 光纖中的SRS 具有光束凈化效應(yīng)，即使光纖芯徑比較大仍可以獲得近單模的激光輸出。

圖5 （a）LD 直接泵浦的全光纖拉曼激光器結(jié)構(gòu)；（b）不同漸變折射率光纖長度下的拉曼光纖激光輸出功率[53]Fig.5 (a)All-fiber configurations of Raman fiber lasers with direct LD pumping;(b)output power of the Raman fiber laser at different GRIN fiber lengths versus input pump power[53]

與拉曼光纖激光器不同，隨機(jī)光纖激光器不存在點(diǎn)式反饋元件以及傳統(tǒng)意義上的諧振腔，它由光纖中折射率不均勻性引起的瑞利散射來提供隨機(jī)反饋[55]，從而在光源相干性[56]、光譜特性[57]以及統(tǒng)計(jì)特性[58]等方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的物理屬性。近年來，國防科技大學(xué)的周樸課題組在高功率/高效率隨機(jī)光纖激光方面獲得了kW 級(jí)激光輸出[59]，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所的馮衍在光譜操控方面實(shí)現(xiàn)1～1.9μm 的可調(diào)諧隨機(jī)光纖激光輸出[60]，電子科技大學(xué)的饒?jiān)平n題組探索了隨機(jī)光纖激光器在光纖傳感與通信等領(lǐng)域的應(yīng)用[61]，加拿大渥太華大學(xué)的X.Y.Bao 等人在窄線寬方面獲得了線寬為1 kHz 的布里淵隨機(jī)光纖激光[62]。

雖然關(guān)于隨機(jī)光纖激光器的研究已有了長足的發(fā)展，但是上述研究成果中的隨機(jī)激光波長均大于1μm，而從事0.9～1μm 隨機(jī)光纖激光研究工作的團(tuán)隊(duì)較少，研究人員主要來自俄羅斯科學(xué)院的S.A.Babin 課題組。2013 年，S.A.Babin 等人采用低光束質(zhì)量的938 nm LD 以及纖芯/包層直徑為（62.5/125）μm 的GRIN 光纖搭建了隨機(jī)光纖激光器，獲得了0.5 mW 的980 nm 隨機(jī)激光輸出，光束質(zhì)量相比LD 有顯著提高[63]。2018 年，他們采用1.1 km 長的纖芯/包層直徑為（100/140）μm的GRIN 光纖和915 nm 的多模LD 搭建了隨機(jī)光纖激光器，獲得了27 W 的996 nm 二階隨機(jī)激光輸出。其中，由于多模光纖存在拉曼光束凈化效應(yīng)，相比于光束質(zhì)量M2=30 的LD，二階隨機(jī)激光的光束質(zhì)量得以極大地提高，M2達(dá)1.6，如圖6所示[64]。這種基于漸變折射率光纖的隨機(jī)光纖激光器受限于泵浦源亮度，其輸出功率還未達(dá)到102W 量級(jí)。

圖6 （a）LD 直接泵浦的級(jí)聯(lián)全光纖隨機(jī)激光器；（b）二階隨機(jī)光纖激光輸出功率與輸入泵浦功率的關(guān)系[64]Fig.6 (a)All-fiber configuration of the cascaded random fiber laser with direct LD pumping;(b)measured output power at 2nd-order random lasing wavelengths versus the input pump power[64]

4 結(jié)論

目前，基于新型增益機(jī)制、不同光纖材料和新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的各類0.9～1μm 近紅外光纖激光器還在進(jìn)一步發(fā)展，但整體功率水平仍遠(yuǎn)低于1～2μm 光纖激光器。其中，0.9～1μm 近紅外摻鐿光纖激光器的輸出功率最高（151 W@978 nm），激光器中存在的3 能級(jí)重吸收和4 能級(jí)起振是制約其功率提升的主要因素，目前的主流思路是通過采用高增益、波長截止的新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)增益光纖來解決該問題。隨著功率的進(jìn)一步提升，可以預(yù)見，光子暗化效應(yīng)、模式不穩(wěn)定、非線性效應(yīng)等將會(huì)成為該波段摻鐿光纖激光器新階段的限制因素。

而摻釹光纖中Nd3+摻雜濃度較低、發(fā)射截面較小，導(dǎo)致0.9～1μm 摻釹光纖激光器的輸出功率主要受限于光纖材料。另外，放大過程中的4 能級(jí)競爭，808 nm 和880 nm 泵浦源較低的輸出功率等因素也限制了其功率提升。解決途徑主要是通過改進(jìn)光纖材料性能來提升激光器功率，因此，設(shè)計(jì)和研制大模場面積、無截止單模特性、高數(shù)值孔徑的光子晶體光纖成為摻釹光纖激光器的研究重點(diǎn)之一。

而0.9～1μm 近紅外拉曼光纖激光器、隨機(jī)光纖激光器受限于光纖器件性能、泵浦源亮度以及激光放大過程中產(chǎn)生的高階激光等因素，其輸出功率仍未突破百瓦量級(jí)。因此，如何通過設(shè)計(jì)光纖激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、均衡非線性效應(yīng)增益與系統(tǒng)損耗來提升激光器效率和功率，將是下一步研究的重點(diǎn)方向。

鑒于0.9～1μm 近紅外光纖激光器在高功率藍(lán)光和紫外激光產(chǎn)生、高功率單模泵浦源、生物醫(yī)學(xué)以及激光雷達(dá)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用需求，各類激光器都將會(huì)隨著光纖激光理論和光纖材料的進(jìn)步而快速發(fā)展，并在發(fā)展過程中催生出各具特色的研究方向。