《Optical Fiber Technology》：Linearly polarized 1178 nm single-frequency laser directly generated from Yb-doped fiber
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单频Yb掺杂光纤激光器在1178nm实现稳定输出，采用5cm长光纤集成π相位移光纤光栅，最大输出功率13.0mW，光信号噪声比66dB，有效抑制了短波长自发辐射。
康鹏瑞|陶月|莫正飞|姜曼|李灿|冷金勇|周普|姜宗福
国防科技大学高级跨学科研究学院，中国长沙410073
摘要
本文展示了一种采用分布式反馈腔配置的掺镱光纤激光器在1178纳米波长下的单频线性偏振操作。相移光栅被刻写在一段5.0厘米长的掺镱石英光纤上，该光纤在976纳米处的吸收系数为180分贝/米。实验结果实现了最大输出功率为13.0毫瓦、斜效率为6.3%的单频激光输出。在最高输出功率下，光信噪比约为66分贝，表明短波长处的自发辐射得到了显著抑制。同时，偏振消光比为19.7分贝，激光线宽计算值为27.61千赫。据我们所知，这项工作实现了直接从掺镱光纤激光器发出的最长波长单频激光。
引言
单频激光器因其窄线宽、低噪声和高相干性而受到广泛关注，这些特性使它们在引力波探测[1]、激光雷达[3]、非线性频率转换[5]以及原子和分子光谱学[6][7]等领域具有广泛应用前景。随着应用需求的不断增加，单频激光器还需要具备千赫级别线宽和低噪声的特性[8][9]。特别是，在1178纳米波长下的单频激光器对于通过频率倍增产生589纳米的黄光至关重要，这对于人造钠激光导星、激光冷却和光谱学等应用来说是不可或缺的[10][11][12][13]。目前，基于固态金刚石[14]、半导体[15]以及主动和被动光纤[16][17]的激光增益介质，已经相继实现了具有定制性能的1178纳米激光输出。其中，光纤激光器具有结构紧凑、热管理效率高和光束质量优异等优点。2013年，Fan等人利用全固态掺镱光子带隙光纤作为增益介质，并通过光纤光栅构成激光谐振器，实现了输出功率为98瓦的1178纳米激光[18]。最近，Cui等人采用1178纳米半导体激光器作为种子光源，并通过受激拉曼散射效应利用1120纳米光纤激光器进行放大，实现了输出功率为48.6瓦的高功率1178纳米激光[19]。然而，上述1178纳米光纤激光器工作在非单频模式下，无法满足高精度测量应用对线宽的严格要求。
关于单频光纤激光器的实现方式，传统的谐振器设计包括超短线性腔（例如分布式布拉格反射器[DBR][20][21][22][23]和分布式反馈[DFB][24][25]）以及长线性腔和环形腔[26][27][28]。2025年，使用了一段4.6米长的掺镱光纤（YDF）实现了1156纳米单频激光，其中一段10米长的未泵浦YDF作为纵模选择的可饱和吸收体，但这牺牲了激光系统的紧凑性和稳定性[29]。从实际应用角度来看，超短线性腔更具优势，因为其单纵模操作由于腔长较短而具有较大的纵模间距，从而便于实现紧凑且简单的全光纤结构。特别是DFB光纤激光器通过在增益光纤上直接刻写π相移布拉格光栅来提供反馈和窄带滤波，避免了构建DBR光纤激光器时不可避免的复杂熔接过程[30][31][32]。
对于1178纳米波长的单频光纤激光器，目前仅有基于DFB腔的非线性拉曼增益实现的成功案例，该激光器的输出功率为300毫瓦，斜效率为8.4%[17]。然而，由于被动光纤的拉曼增益较低，需要较长的腔长（例如30厘米）来保证足够的非线性增益以实现高效激光输出，这对DFB制造技术来说是一个挑战。而来自YDF基态跃迁的光学增益通常高于1178纳米处的非线性拉曼增益，但在1030纳米左右的短波长范围内会受到放大自发辐射（ASE）和寄生激光的严重干扰[33][34]。因此，大多数关于1120纳米以下波长单频YDF激光器的报道都未能实现理想性能。在我们的初步研究中，我们展示了一种5厘米长的DFB-YDF激光器，通过专门设计的超高斯渐晕光栅增加了腔的有效长度，从而实现了1150纳米波长的10.6毫瓦单频激光输出，表明单频DFB-YDF激光器具有进一步扩展波长的潜力[35]。
在本研究中，我们通过基于优化π相移光栅的DFB腔设计，实现了1178纳米波长的单频YDF激光器。得益于显著增加的有效腔长，激光腔的实际长度仅为5.0厘米，仍获得了最大输出功率13.0毫瓦。光信噪比（OSNR）达到66分贝，表明短波长ASE得到了有效抑制。激光线宽估计为约28千赫，积分时间为0.1毫秒，偏振消光比（PER）为19.7分贝。据我们所知，这项工作是首次实现1178纳米波长单频YDF光纤激光器的演示。
实验装置
DFB光纤激光器的实验装置如图1所示，主要包括一个单模976纳米激光二极管、一个976/1178纳米波长分光复用器（WDM）和一个相移光纤光栅（PS-FBG）。PS-FBG通过WDM的通带，由976纳米激光二极管反向泵浦，最大平均功率为750毫瓦。单频激光沿与泵浦光相反的方向传播，并从WDM的反射端口输出。
结果与讨论
1178纳米DFB单频激光器采用了反向泵浦配置，使得可以从光栅结构的两端提取信号。图3(a)显示了输出功率随泵浦功率的变化情况。红色曲线代表反向传播的输出信号，蓝色曲线代表正向输出信号，其功率约为反向功率的四分之一。因此，选择反向传播的输出端口作为后续测量的端口。
结论
总结来说，我们成功实现了基于5.0厘米长YDF上刻写的PS-FBG的1178纳米单频DFB光纤激光器。通过使用超高斯渐晕函数，增益激光腔的有效长度得到增加，从而为激光振荡提供了足够的光学增益。实验实现了最大输出功率13.0毫瓦，斜效率为6.92%，光信噪比（OSNR）达到66分贝。确认了单纵模操作，同时测量得到了偏振消光比（PER）。
作者贡献声明
康鹏瑞：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，方法论，数据管理。陶月：指导，形式分析。莫正飞：方法论。姜曼：指导，资源提供。李灿：指导，资源提供。冷金勇：资源提供。周普：指导，资源提供，资金获取。姜宗福：指导，资源提供。
资助
中国国家重点研发计划（2024YFB3613800）；国家自然科学基金（62035015）。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
康鹏瑞感谢唐振强博士在实验中的帮助。
