基于双向泵浦Tm/Ho掺杂混合光纤放大器实现2.05μm单模窄线宽高峰值功率激光输出

《IEEE Photonics Journal》：Single-Mode 2.05 μm Narrow Linewidth Bidirectional Pumped Tm/Ho-Doped Hybrid Pulsed Fiber Amplifier

本文针对2.05μm窄线宽光纤放大器在提升峰值功率过程中面临的受激布里渊散射(SBS)和放大自发辐射(ASE)等关键技术难题，创新性地提出了双向泵浦Tm掺杂光纤(TDF)/Ho掺杂光纤(HDF)混合放大器方案。通过利用TDF和HDF不同的SBS频移特性，有效提高了SBS阈值，在脉冲重复频率(PRF)10 kHz、脉宽150 ns条件下，实现了34 μJ脉冲能量和226 W峰值功率输出，信噪比(SNR)提升至48 dB，光束质量因子M2达到1.08。该研究为高功率2μm波段激光器在相干激光雷达、引力波探测等领域的应用提供了重要技术支撑。

　　

在激光技术领域，2微米波段激光器因其在大气传输、医疗手术和材料加工等方面的独特优势而备受关注。特别是窄线宽光纤激光器，由于其出色的光束质量和稳定性，在引力波探测、相干激光雷达等高端应用中展现出巨大潜力。然而，随着输出功率的不断提升，受激布里渊散射(SBS)效应成为制约峰值功率进一步提升的主要瓶颈。传统的单模Tm掺杂光纤(TDF)放大器在追求高功率输出时，往往面临SBS阈值低、放大自发辐射(ASE)严重等问题，导致输出功率受限且光束质量下降。

针对这一技术挑战，北京工业大学张东明研究团队在《IEEE Photonics Journal》上发表了一项创新性研究，提出了一种双向泵浦Tm/Ho掺杂混合光纤放大器结构。该研究通过巧妙利用TDF和HDF不同的SBS频移特性，有效提高了SBS阈值，实现了2.05μm波段单模窄线宽激光的高峰值功率输出。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先建立了主振荡功率放大器(MOPA)结构，包含分布式反馈(DFB)种子源、预放大级和主放大级；其次创新性地设计了双向泵浦的TDF/HDF混合放大器结构，其中HDF采用反向泵浦方式；最后通过精确控制光纤长度比例（TDF与HDF长度比为1:1），优化了SBS阈值性能。所有实验均使用10/130μm保偏光纤，并采用水冷系统维持16±0.1°C的恒温环境。

实验设置与原理

研究团队设计的高峰值功率单模2.05μm窄线窄双向泵浦Tm/Ho掺杂混合光纤激光器实验装置包含三个主要部分：DFB种子源、TDF预放大器和TDF/HDF混合放大器。种子源输出波长2051 nm、线宽约1 kHz的连续激光，经声光调制器(AOM)调制后形成脉冲激光。预放大器使用2.2 m长的TDF进行初步放大，混合放大器则采用双向泵浦结构，其中HDF通过波长 division multiplexer(WDM)反向泵浦。整个系统使用保偏熊猫光纤，光纤端面采用12°角切割以防止菲涅尔反射。

输出特性分析

通过对比2.2 m TDF放大器与双向泵浦1.1 m TDF&1.4 m HDF混合放大器的性能，研究发现混合结构有效抑制了SBS和ASE效应。在脉冲重复频率(PRF)10 kHz、脉宽150 ns条件下，混合放大器输出能量达到17.5 μJ，峰值功率116 W，信噪比(SNR)从39 dB提升至48 dB。特别值得注意的是，与2.8 m TDF放大器相比，1.4 m TDF&1.4 m HDF混合放大器将脉冲能量从10.4 μJ提升至34 μJ，峰值功率从69 W增加至226 W，SBS阈值提高了3.2倍。

光束质量与光谱特性

通过外差法测量，输出激光的线宽约为5.12 MHz，接近傅里叶变换极限。光束质量因子M2在x和y方向分别达到1.09和1.08，显示出优异的单模特性。偏振消光比(PER)约为15.6 dB，表明激光具有良好的线偏振特性。脉冲波形稳定，在10 kHz重复频率下脉冲间隔为0.1 ms，无明显畸变。

SBS阈值提升机制

该研究的核心创新在于利用TDF和HDF不同的SBS频移特性。根据SBS阈值公式P_th^SBS ∝ A_eff/Lg_B，通过优化光纤长度比例，有效提高了SBS阈值。实验测得TDF的SBS频移为9.3 GHz，而HDF为8.1 GHz，这种频移差异使得混合放大器的SBS阈值由单个光纤中较小的那个决定，从而实现了SBS抑制。

研究结论表明，双向泵浦Tm/Ho掺杂混合光纤放大器结构能有效解决2.05μm窄线宽光纤激光器在高功率运行时的SBS限制问题。通过优化光纤长度比例和泵浦方式，在保持单模光束质量的前提下，显著提升了输出功率和SBS阈值。这项技术为开发高性能2μm波段激光器提供了新的技术路径，在空间激光雷达、环境监测等领域具有重要的应用前景。未来通过进一步优化光纤参数和泵浦方案，有望实现更高功率的激光输出。