使用长腔体和混合泵浦配置，在连续波（CW）/准连续波（QCW）掺铥光纤激光器中抑制自脉动现象

《Optics & Laser Technology》：Suppression of self-pulsations in a CW/QCW Tm-doped fiber laser using long cavity and hybrid-pumping configuration

本文提出一种基于MOPA结构的1940nm掺铥光纤激光器，通过长腔种子振荡器抑制连续波模式下的自脉动，采用混合泵浦抑制准连续波模式中的强度尖峰，实现近方波脉冲输出，平均功率达205W（CW）和76.6W（QCW），效率分别为53.3%和51.2%，为生物医学和工业应用提供高稳定激光源。

　　

余琳|杨福豪|陈冠豪|欧阳德勤|陈烨旺|刘敏秋|赵俊青|郭春宇|阮双晨

深圳大学应用技术学院，中国深圳518060

摘要

我们展示了一种基于MOPA配置的1940纳米连续波/准连续波（CW/QCW）铥掺杂光纤激光器，其时间稳定性显著提高。我们采用了两种不同的策略来抑制不同工作模式下的自脉动现象。在连续波（CW）模式下，长腔种子振荡器有效消除了微弱的自脉动序列；在准连续波（QCW）模式下，混合CW/QCW泵浦方案抑制了每个脉冲前沿的弛豫引起的强度尖峰，从而获得了接近方波的脉冲轮廓。在放大器阶段采用了角度切割技术来提高寄生激光的阈值。该系统在CW模式下输出平均功率为205瓦，在QCW模式下输出平均功率为76.6瓦，相应的斜率效率分别为53.3%和51.2%。这项工作为提高高功率2微米光纤激光器的时间性能提供了一种系统且经过实验验证的方法，具有广泛的生物医学和工业应用潜力。

引言

铥掺杂光纤激光器（TDFLs）随着镱掺杂和铒掺杂光纤激光器（YDFLs和EDFLs）的发展而成为重要的激光源。2微米波段的激光发射与水和多种材料的吸收峰强烈重叠，这使得它们在医疗手术、材料加工、遥感和中红外泵浦等领域具有广泛应用[[1], [2], [3], [4]]。近年来，高功率TDFLs的显著进步[[5], [6], [7]]推动了它们在各个应用领域的扩展。根据应用需求，TDFLs可以工作在连续波（CW）或准连续波（QCW）模式下。CW模式常用于热处理或连续烧蚀[8]，而QCW模式——具有较长的脉冲持续时间（微秒至毫秒）和较低的重复频率（赫兹至千赫兹）——能够产生高峰值功率的激光脉冲[9]，因此适用于微加工[10]和微创手术[11]。特别是1940纳米的TDFLs与水的吸收峰非常匹配，增强了组织的选择性吸收，减少了热扩散，从而提高了激光碎石术的安全性和精确度[12]。

尽管具有这些优势，CW和QCW光纤激光器仍可能受到时间不稳定性的影响，从而降低输出性能。在CW模式下，时间域中经常观察到随机的强度波动，这主要是由于自脉动现象，如随机自锁模（SML）脉冲序列，通常发生在纳秒级别，并且与腔体长度密切相关。2010年，Upadhyay报告了CW YDFLs中纳秒级别的微弱SML脉冲序列，其重复间隔与腔体长度密切相关[13]。TDFLs中的自脉动现象也存在，但受到的关注较少。2023年，Chakravarty展示了一种输出功率超过100瓦的铥掺杂光纤振荡器，其中观察到了微秒级别的随机自脉冲[14]。他们将这些脉冲归因于增益光纤的再吸收和腔体反馈，但没有进一步研究纳秒级别的SML脉冲。由于许多光纤激光器都会出现自脉动现象，之前的研究提出了一些解决方法。例如，2009年，Guan在镱掺杂光纤振荡器的谐振器中插入了约2公里的被动光纤，成功消除了所有泵浦水平下的自脉动[15]。2017年，Xu构建了一个复合谐振器在镱掺杂光纤振荡器中，有效抑制了SML脉冲序列[16]。关于2微米铥掺杂光纤激光器中随机SML脉冲序列的实验分析相对较少。在1微米光纤激光器中验证的改进方法在TDFLs中尚未得到验证。

在QCW模式下，另一种常见的自脉动现象是每个脉冲上升沿的强烈强度尖峰，导致脉冲轮廓呈“h”形[17]。2016年，Pal开发了一种具有振荡器架构的QCW TDFL，发现其激光输出在单个脉冲中出现了显著的尖峰[18]。类似的现象也出现在QCW YDFL中[19]。这些尖峰源于瞬态种群反转引起的弛豫振荡。脉冲前沿的瞬态高峰值功率可能对激光碎石术等应用产生负面影响，因为精确可控的能量传输对于安全性和有效性至关重要[20,21]。尽管这种现象普遍存在且影响显著，但在2微米铥掺杂光纤激光器中很少有系统性的研究。虽然调整泵浦波形可以缓解这一问题，但它会复杂化控制系统并限制脉冲调制的灵活性。因此，开发一种简单而稳健的方法来抑制这些尖峰是提高高性能QCW TDFLs的关键挑战。

在这项工作中，我们提出了一种基于MOPA配置的1940纳米CW/QCW TDFL实现高时间稳定性的全面且经过系统验证的方法。我们采用了两种不同的策略来抑制不同工作模式下的自脉动现象。在CW模式下，使用长腔种子振荡器减少纵模干涉，消除微弱的自脉动序列并改善时间轮廓。在QCW模式下，引入了结合CW和QCW激光二极管的混合泵浦方案，有效抑制了每个脉冲前沿的弛豫引起的强度尖峰，从而获得接近方波的脉冲轮廓。通过数值分析详细讨论了自脉动抑制的机制。在放大器阶段采用角度切割技术来提高寄生激光的阈值。该系统在CW模式下输出205瓦的功率，斜率效率为53.3%；在QCW模式下输出76.6瓦的平均功率，斜率效率为51.2%。输出保留了种子激光的时间特性，没有观察到明显的自脉动现象，保持了出色的稳定性，峰峰值波动分别为2%（CW）和1.8%（QCW）。这些结果证实了一种实用且有效的方法，用于提高高功率2微米光纤激光器的时间稳定性。

实验设置

激光器的实验配置

QCW TDFL的实验配置基于MOPA方案，如图1所示。种子激光器被设计为一个长腔振荡器。使用了一段1.8米长的铥掺杂光纤（TDF，Coherent），其芯径/包层直径为10/130微米，数值孔径（NA）为0.15。典型的包层光吸收约为9分贝/米。TDF由两个工作在793纳米的CW/QCW激光二极管（LDs）通过两个（2+1）×1的泵浦和信号合成器（PSCs）进行泵浦。当种子激光器在QCW模式下运行时

种子激光器的输出性能

首先在CW模式下对种子激光器的性能进行了表征，如图2所示。图2(a)和图2(b)分别对应于未使用GDF的配置。最大输出功率达到19.1瓦，斜率效率为50%，激光光谱的信噪比（SNR）超过60分贝，最高功率时的3dB带宽为0.11纳米。图2(b)的插图显示了输出功率增加时光谱的变化情况。当插入50米长的GDF后

结论

总之，我们展示了一种基于MOPA配置的1940纳米CW/QCW铥掺杂光纤激光器，其时间性能得到了改善。在CW模式下，通过延长种子激光器的腔体长度抑制了微弱的SML脉冲序列；在QCW模式下，混合CW/QCW泵浦减少了弛豫引起的尖峰，从而获得了平滑稳定的时间轮廓。其背后的机制也得到了澄清。在放大器阶段，对TDF和GDF之间进行了角度切割拼接

CRediT作者贡献声明

余琳：撰写——原始草案，验证，数据整理，概念化。杨福豪：方法论。陈冠豪：方法论。欧阳德勤：撰写——审稿与编辑，资源管理，项目协调，方法论，研究。陈烨旺：方法论。刘敏秋：方法论。赵俊青：方法论。郭春宇：方法论。阮双晨：资源管理，项目协调。

资助

广东省科技计划（2023B0909010005），国家重点研发计划（2022YFB3605800），国家自然科学基金（62575190）。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。