楊昌盛1,3，岑旭1，徐善輝1,2,3，楊中民1,2,3,4*
1 華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室
2 華南理工大學物理與光電學院
3 廣東省特種光纖材料與器件工程技術研究開發中心
4 華南理工大學廣東省光纖雷射材料與應用技術重點實驗室
單頻光纖雷射器具有線寬窄、噪聲低、相干性好、轉換效率高、全光纖化結構等優點，在雷射武器、雷射雷達、空間雷射通信、相干光通信、高精度光譜測量、引力波探測等領域有著廣泛的應用前景，成為了雷射領域的一個研究熱點。
根據增益光纖稀土離子摻雜類型與激射波長的不同，目前主要有1.0 μm、1.5 μm 和2.0 μm三種典型波段的單頻光纖雷射器。
1.0 μm波段單頻光纖雷射器
基於摻Nd3+或Yb3+增益光纖的單頻雷射器主要工作於1.0 μm波段（集中於978 nm～1120 nm波長範圍），在光晶格鍾、深空探測、量子計算和基礎物理研究等領域具有重要的應用前景。
其中，波長範圍為910～940 nm的單頻光纖雷射器通過倍頻技術可獲得純藍光單頻雷射，可用於原子冷卻、高解析度3D光刻和水聲通信等領域；波長範圍為60～985 nm的單頻光纖雷射器可用作產生高性能藍光及深紫外雷射的基頻光源。
1064 nm波段（1020～1080 nm）單頻光纖雷射器可用於相干或光譜合束、雷射測距、引力波探測、雷射雷達等領域。1120 nm單頻光纖雷射器可用作1178 nm拉曼光纖雷射器的高質量泵浦源，亦可通過倍頻技術獲得560 nm單頻雷射，可用於原子冷卻、生物醫學成像和生物檢測等領域。
（1）1.0 μm波段連續單頻光纖雷射器
在小於1.0 μm短波長連續單頻雷射輸出方面，2016年，天津大學的Fang等報導了930 nm線偏振單頻光纖雷射器，利用長度為2.5 cm的摻Nd3+石英光纖製作DBR短腔，實現了功率為1.9 mW、線寬為44 kHz的單頻雷射輸出。
2017年，本課題組的Huang等基於半導體光放大器（SOA）的飽和放大效應對978 nm DBR單頻光纖雷射器進行了噪聲抑制，獲得了功率為230 mW、線寬小於10 kHz的連續單頻雷射輸出，實驗裝置圖如圖1所示。
在高功率連續單頻雷射輸出方面，受激布里淵散射（SBS）是限制輸出功率水平提升的主要因素，通常抑制SBS的手段主要包括增大光纖纖芯模場面積、縮短光纖使用長度、使用特殊光纖降低光場/聲場重疊度、通過施加溫度及應力梯度降低SBS增益等。
2020年，國防科技大學的Lai等基於全光纖MOPA結構對單頻光纖雷射種子源進行了放大。值得注意的是，主放大級使用一段長度為1.2 m的錐形摻Yb3+雙包層光纖（T-YDF）作為增益介質，實現了功率為550 W、光束質量因子M2為1.47、斜率效率達80%的1030 nm連續單頻雷射輸出。這是已報導的基於全光纖結構的單頻雷射器最高功率，功率曲線如圖2所示。
在大於1.0 μm的長波長連續單頻雷射輸出方面，2020年，本課題組的Wang等報導了基於摻Nd3+矽酸鹽光纖的低閾值1120 nm單頻光纖雷射器，利用長度為1.5 cm 的摻Nd3+矽酸鹽光纖製作了DBR短腔，獲得了閾值為10 mW、線寬為71.5 kHz、功率為15 mW的連續單頻雷射輸出。
摻Nd3+矽酸鹽光纖的增益譜覆蓋1120 nm區域，屬於四能級系統，相比於傳統的三能級系統更易實現粒子數反轉，其閾值更低。摻Nd3+光纖相比於摻Yb3+光纖在1120 nm處具有更大的發射截面，在激射波長大於1100 nm的雷射輸出方面更有優勢。
（2）1.0 μm波段脈衝單頻光纖雷射器
脈衝單頻光纖雷射器在獲得高峰值功率和高脈衝能量的同時保持良好的光束質量，且在時間特性上具有多樣性，更能滿足實際應用需求。單頻納秒脈衝光纖雷射器在具有較窄脈衝寬度的同時還擁有極窄的光譜線寬，可用於非線性頻率轉換、雷射雷達、雷射精密測距和相干合成等領域。
2016年，本課題組的Zhang等將1083 nm DBR短腔單頻光纖雷射種子源注入到環形腔中，獲得了峰值功率為3.8 W、重複頻率為1 kHz、信噪比達58.4 dB的脈衝單頻雷射輸出。其實驗裝置圖如圖3所示。
1.5 μm波段單頻光纖雷射器
基於摻Er3+或Er3+/Yb3+共摻增益光纖的單頻雷射器主要工作於1.5 μm波段（C波段：1530~1565 nm）以及部分L波段（1565~1625 nm）。其波長正處於光纖通信的C窗口，使得具有窄線寬、低噪聲特性的1.5 μm波段單頻光纖雷射器在相干光通信中有著很重要的價值，在高解析度傳感、光頻域反射儀、雷射雷達等領域也有廣泛的應用。
而處於人眼安全的L波段單頻光纖雷射器可應用於高解析度分子光譜學、雷射雷達、摻Tm3+ 雷射器的高性能泵浦源和非線性頻率轉換等領域。
（1）1.5 μm波段連續單頻光纖雷射器
2010年，本課題組的Xu等利用更高增益的Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖製作了DBR短腔，實現了功率大於300 mW、線寬為1.6 kHz、斜率效率達30%的1535 nm連續單頻雷射輸出，這是已報導的基於單振盪器結構的1.5 μm波段單頻雷射的最高功率。
在波長約為1.6 μm的連續單頻雷射輸出方面，2018年，本課題組的Yang等利用MOPA結構對1.6 μm單頻光纖雷射種子源進行了放大，主放大級採用一段長度為4 m、纖芯直徑為25 μm的大模場面積Er3+/Yb3+共摻保偏雙包層光纖，獲得了功率為15 W、線寬為4.5 kHz、偏振消光比大於23 dB的1603 nm連續單頻雷射輸出。
在高功率連續單頻雷射輸出方面，2016年，英國BAE系統公司的Creeden等利用 MOPA結構對單頻光纖雷射種子源進行了放大，主放大級採用940 nm多模半導體雷射器後向抽運大模場面積Er3+/Yb3+共摻雙包層光纖，獲得了功率為207 W、斜率效率達50.5%的1560 nm連續單頻雷射輸出。這是目前已報導的1.5 μm波段基於MOPA結構的單頻雷射器的最高功率，其實驗原理圖和功率曲線圖分別如圖4和圖5所示。
在單頻雷射噪聲抑制方面，2017年，本課題組的Yang等利用兩級光纖放大器組成的MOPA結構對經強度噪聲抑制的單頻光纖雷射種子源進行了放大，實現了功率為23 W、線寬小於1.7 kHz的低噪聲1550 nm連續單頻雷射輸出，其在0.1～50 MHz頻段內的相對強度噪聲低至-150 dB/Hz@0.5 mW，接近量子噪聲極限。
（2）1.5 μm波段脈衝單頻光纖雷射器
1.5 μm波段脈衝單頻光纖雷射器以其時域和頻域上的特性，在雷射測風雷達、雷射水聽器、光纖陀螺儀、光學傳感與測量等領域具有廣闊的應用前景。
2019年，本課題組的Li等利用具有可飽和吸收特性的半導體可飽和吸收鏡（SESAM）在短線形腔內進行調Q，採用長度為1.3 cm的Er3+/Yb3+共摻磷酸鹽光纖作為增益介質，獲得了峰值功率為533 mW、脈衝能量為55.4 nJ、重複頻率為350.9 kHz、脈寬為104 ns的四波長脈衝單頻雷射輸出，實驗裝置如圖6所示。
2012年，美國亞利桑那大學的Petersen等利用任意波形發生器（AWG）和EOM將1550 nm連續單頻光纖雷射調製成重複頻率為10 kHz、脈寬為12 ns的脈衝雷射，採用四級光纖放大器組成的MOPA結構對脈衝種子光進行放大，獲得了峰值功率為128 kW、脈寬為3 ns、重複頻率為10 kHz、單脈衝能量為0.38 mJ的窄線寬脈衝雷射輸出。
2.0 μm波段單頻光纖雷射器
基於摻Tm3+增益光纖的單頻雷射器主要工作於2.0 μm波段，在精密測量、高解析度光譜學、相干雷達、雷射遙感、非線性轉換和無創醫學等領域有著廣泛的應用。2.0 μm波段為人眼安全波段，用其作為雷射光源可避免雷射在大氣中傳輸時可能帶來的危害。此外，2.0 μm波段單頻光纖雷射器的非線性效應閾值相比於1.0 μm波段的要高，在窄線寬高功率或高能量輸出方面具有一定的優勢。
（1）2.0 μm波段連續單頻光纖雷射器
在常規波長（1.9 μm附近）連續單頻雷射輸出方面，2018年，本課題組的Guan等利用長度為1.8 cm的摻Tm3+鍺酸鹽光纖製作了DBR短腔，以1610 nm光纖雷射器作為同帶泵浦源，獲得了功率為617 mW、線寬為12.55 kHz、斜率效率為42.2%的1950 nm連續單頻雷射輸出。這是已報導的基於單振盪器結構的2.0 μm波段單頻雷射的最高功率，其功率曲線如圖7所示。
在大於2.0 μm長波長連續單頻雷射輸出方面，2019年，天津大學的Shi等採用具有選頻作用的級聯單模-多模-單模(SMS)光纖裝置和長度為7 m的摻Tm3+石英光纖製作了環形腔，並利用Sa- gnac環中未泵浦的一段有源光纖作為可飽和吸收體來實現單縱模運轉，獲得了功率為20.9 mW、信噪比大於60 dB的2004.9 nm連續單頻雷射輸出。其裝置示意圖如圖8所示。
在高功率連續單頻雷射輸出方面， 2014年，北京工業大學的Liu等採用四級摻銩保偏光纖放大器組成MOPA結構，對功率為3.5 mW的DFB單頻半導體雷射種子源進行了放大，獲得了功率為210 W、偏振消光比大於17 dB的2000.9 nm線偏振連續單頻雷射輸出。
（2）2.0 μm波段脈衝單頻光纖雷射器
2.0 μm人眼安全波段的脈衝單頻光纖雷射器能夠應用於雷射雷達、雷射醫療、污染控制、中紅外超連續譜等領域。利用2.0 μm單頻脈衝雷射器作為泵浦源，通過非線性頻率轉換（如光學參量振盪器(OPO)或差頻產生(DFG)等）來產生波長更長的中紅外雷射。
2015年，國防科技大學的Wang等利用強度調製器（IM）對連續單頻光纖雷射進行強度調製，實現了重複頻率為1 MHz和脈寬為156 ns的單頻脈衝種子光，然後採用MOPA結構對其進行了放大。主放大級採用一段長度為2.9 m、纖芯直徑為25 μm的摻Tm3+雙包層光纖作為增益介質，獲得了平均功率為105 W、重複頻率為1 MHz、脈寬為66 ns的1971 nm脈衝單頻雷射輸出。
除了1.0 μm、1.5 μm、2.0 μm三種典型波段單頻光纖雷射器之外，其他波段的單頻光纖雷射器也受到了研究者的關注。例如1.2 μm波段單頻光纖雷射器在氧氣大氣遙感、光動力治療、無創醫學中具有重要的應用價值。此外，它還可以用作摻Tm3+雷射器的高質量泵浦源以及非線性頻率轉換的基頻光源，進而產生高性能的橙黃色雷射、藍光雷射、紫外雷射等。同時，2.0～3.0 μm波段單頻光纖雷射在材料加工與處理、藥品、防禦和安全等領域亦有著廣闊的應用前景。
結論
單頻光纖雷射器經過30年的迅猛發展，已實現了平均功率為數百瓦、峰值功率為數千瓦、雷射線寬為百赫茲、強度噪聲接近量子噪聲極限、波長調諧範圍為數十納米等的輸出性能。當前正朝著高功率/高能量、超窄線寬、超低噪聲、特殊波段、波長可調諧等方向深入發展，儘管取得了長足的進步，但在基礎研究和應用技術方面仍然存在一些不足：
1）在線寬、噪聲、波長等輸出性能方面有待進一步提升和完善，如雷射線寬壓窄至赫茲量級、突破量子噪聲極限的噪聲抑制、波長超寬範圍與超高精度可調諧等；
2）輸出功率有待進一步提高，探索新型的非線性效應抑制機制與技術，進而提升單頻雷射功率水平；
3）關於高峰值功率/高脈衝能量的脈衝單頻雷射報導相對較少，需要進一步推動其技術研究；
4）有待進一步探究新型稀土離子摻雜光纖材料，同時需要持續提升和完善增益光纖、高質量光纖 Bragg光柵刻寫、高性能泵浦源等研製技術，以支撐與滿足特殊波段單頻光纖雷射技術的發展需求。
總之，實現更高功率/能量、超低噪聲、超窄線寬和更豐富波長的單頻光纖雷射技術仍然是未來的主要研究方向，相信單頻光纖雷射器的進一步發展將會持續推動前沿科學研究、國民經濟發展和國家戰略需求，同時大幅提升其應用價值和科學意義。
本文改寫自《光學學報》文章——單頻光纖雷射器研究進展