《Infrared Physics & Technology》：A linear-cavity, single-longitudinal-mode polarization-maintaining Ho-doped fiber laser operating at 2.09 μm
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摘要
在本文中，我们展示了一种基于饱和吸收器（SA）的单一频率2.09 μm线性腔镱掺杂光纤激光器（HDFL）振荡器，该饱和吸收器使用了镱掺杂光纤（HDF）。2米长的HDF作为增益介质，而10米长的未泵浦HDF则作为动态SA用于频率选择。利用空间孔烧蚀引起的折射率调制，在腔内
摘要
在本文中，我们展示了一种基于饱和吸收器（SA）的单一频率2.09 μm线性腔镱掺杂光纤激光器（HDFL）振荡器，该饱和吸收器使用了镱掺杂光纤（HDF）。2米长的HDF作为增益介质，而10米长的未泵浦HDF则作为动态SA用于频率选择。利用空间孔烧蚀引起的折射率调制，在腔内形成了具有窄带宽的自诱导布拉格光栅，从而实现了超窄线宽的单纵模（SLM）激光操作。在1.43 W的1940 nm泵浦激光功率下，激光器在2089.08 nm处的最大输出功率为48.8 mW，对应的斜效率为20%。此外，通过调节光纤布拉格光栅（FBG）的温度，实现了从2088.70 nm到2089.43 nm的连续波长调谐。该激光器的相对强度噪声（RIN）低于-152 dB/Hz（高于1.5 MHz），估计的线宽小于5.6 kHz。这种高相干性使其成为多普勒风激光雷达和二氧化碳气体浓度监测等应用的理想紧凑光源。
引言
2 μm波段的单纵模光纤（SLM）激光器具有高大气透射率、窄线宽和低噪声，适用于多普勒相干检测以获取风速剖面[1],[2],[3],[4]。同时，由于与CO?吸收峰（约2.05 μm）相匹配，它可以定量评估CO?和H?O的浓度分布[5],[6],[7]。此外，高功率、低噪声的2 μm单纵模光纤激光器是下一代引力波探测的理想光源[8],[9]。由于ZGP晶体的吸收缺陷限制，这些激光器可以泵浦光学参量振荡器（OPOs）以产生3–5 μm的中红外激光输出[10],[11],[12]。此外，1.94 μm的短波长2 μm SLM激光器对水分子和塑料聚合物具有强烈的吸收作用，使其在生物医学和工业加工应用中具有很高的价值[13],[14],[15]。典型的2 μm SLM光纤激光器分为线性驻波腔和长腔环形行波腔两类：前者采用短腔反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）结构，后者基于未泵浦的光纤饱和吸收器（SA）形成窄带动态光栅进行模式选择。2019年，利用3厘米长的Ho掺杂二氧化硅光纤，展示了一种2.1 μm的DBR SLM光纤激光器，输出功率约为0.8 mW[16]。2021年，使用Tm掺杂二氧化硅光纤和2.5厘米的有效腔体，报道了一种输出功率为65 mW、线宽为5 kHz的2.05 μm DFB SLM光纤激光器[17]。2 μm短腔DFB和DBR光纤激光器具有紧凑的结构和稳定的操作。然而，短腔光纤激光器在制造上较复杂，需要精确控制光纤长度。与线性腔2 μm SLM光纤激光器相比，长腔环形SLM激光器便于集成可调滤波器，能够在保持单纵模输出的同时实现宽波长调谐。2022年，提出了一种使用4米长的Tm/Ho共掺杂未泵浦光纤作为SA的2050 nm环形腔SLM激光器[18]，输出功率为215 mW，斜效率为22%。2023年，通过在环形腔中插入可调滤波器，报道了一种宽范围波长可调的2 μm SLM光纤激光器，调谐范围为1950 nm至2049 nm，线宽小于4 kHz，其中1.08米长的未泵浦Tm/Ho共掺杂光纤作为SA以确保SLM操作[19]。同样在2023年，通过利用在重度HDF中形成的动态滤波器，展示了一种单频率HDFL，通过液氮冷却滤波光纤实现了2.1 μm的连续波SLM操作，输出功率为1.6 mW，光信号噪声比（SNR）超过30 dB[23]。2024年，展示了一种基于0.8米长Ho掺杂光纤SA的2.09 μm保偏（PM）SLM光纤激光器，最大输出功率为57.9 mW，腔体透射率为70%[20]。从上述报告中可以看出，长腔2 μm SLM激光器主要采用环形行波腔配置。这些激光器通过光学隔离器实现单向操作，以抑制空间孔烧蚀，并结合SA防止多纵模的激发。然而，环形腔SLM激光器通常需要更多的光学元件，导致系统复杂性增加和插入损耗增大。相比之下，长线性腔内的光场自然形成驻波，可以直接将SA插入腔内实现频率选择，从而实现紧凑结构 and 低插入损耗。尽管如此，驻波线性腔中的空间孔烧蚀特性允许多纵模同时振荡，这使得实现SLM输出变得困难。
在本文中，我们展示了一种2.09 μm线性腔单偏振镱掺杂单频率光纤激光器。腔体包括2米长的HDF作为增益介质，以及10米长的未泵浦HDF作为SA，用于形成窄带动态光栅以进行SLM选择。在1.43 W的1940 nm泵浦功率下，优化设计实现了稳定的SLM输出功率48.8 mW，线宽小于5.6 kHz，光信号噪声比（OSNR）为60 dB。此外，通过精确控制光栅对的温度，成功实现了0.73 nm范围内的连续波长调谐。
章节摘录
实验装置
2.09 μm线性腔单频率全保偏（PM）HDFL的实验配置如图1所示，它由一个非保偏的1940 nm泵浦源和一个线性腔振荡器组成。振荡器的泵浦源是一个1940 nm Tm掺杂光纤激光器（TDFL），能够提供大约10 W的最大输出功率，该激光器由两个FBG形成的线性谐振器产生。FBG的中心频率为1940 nm，带宽为3 dB
实验结果与讨论
在这项实验中，首先研究了2090 nm激光输出功率与注入1940 nm泵浦功率的依赖性，如图2所示，2090 nm激光输出功率随1940 nm泵浦功率的增加而线性增长。激光激发阈值约为1.25 W，在此泵浦功率下，当注入793 nm泵浦功率为5 W时，1940 nm泵浦功率为1.88 W时获得最大输出功率136 mW。当1940 nm的注入泵浦功率为1.43 W时，激光器达到
结论
总之，我们展示了一种在2090 nm工作的单偏振Ho掺杂单频率光纤激光器，通过长线性腔配置实现，未泵浦的HDF作为SA。在1.43 W的1940 nm泵浦功率下，系统实现了48.8 mW的最大输出功率，斜效率为20%。通过将FBG的温度控制在3-40 °C范围内，成功实现了从2088.70 nm到2089.43 nm的连续波长调谐。
CRediT作者贡献声明
蔡新宇：写作 - 审稿与编辑，原始草案编写。王云鹏：资金获取，正式分析。胡海琳：数据管理，概念化。张东明：方法学研究，实验调查。严伟楠：资源提供，项目管理。周文涛：软件支持，资源协调。李阳：验证，监督。李平雪：资源提供，项目管理，资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。
致谢
本工作得到了以下机构的支持：中国国家自然科学基金（编号：62205008）；中国博士后科学基金（2022 M710276）；北京市人民政府自然科学基金-北京市教育委员会科技计划（KZ20231000524）。
蔡新宇|王云鹏|胡海琳|张东明|严伟楠|周文涛|李阳|李平雪中国北京科技大学材料与制造学院激光工程研究所，北京100124
