山西大学量子传感实验室在2μm波段光纤激光器方面取得进展

近日，山西大学光量子技术与器件全国重点实验室、光电研究所郑耀辉教授课题组在2 μm波段高能量超宽带类噪声脉冲光纤激光器研究方面取得新进展。研究成果以《High-energy ultra-wideband noise-like pulse emitted from a Tm-doped fiber laser》，《Direct generation and amplification of ultra-broadband noise-like pulse in an all-PM Tm-doped fiber laser system》为题，发表于国际著名学术期刊《Optics Letters》和《Journal of Lightwave Technology》。相关论文第一作者为赵得胜特聘副研究员，郑耀辉教授和田龙教授为通讯作者，其中，吴占轩、朱晰然、王嘉伟、高晗、王浩天、陈力荣共同参与了论文工作。

研究背景

由于参数灵活可控、免维护、体积紧凑等优势，锁模光纤激光器已成为脉冲产生的新兴平台。通过对锁模机制的研究和腔体结构的设计，光纤激光器已实现具有不同光谱特性的脉冲激光输出，在工业加工、医疗手术、光谱成像等领域发挥着重要作用。其中，具有超宽谱的类噪声脉冲激光器在超连续谱生成、光学相干断层扫描及光学传感领域具有独特应用价值，吸引了众多研究者对宽带类噪声脉冲激光器的广泛研究。例如，包含超短孤子脉冲的宽谱类噪声脉冲能在获得更宽超连续谱的同时更快速地产生新频谱成分，并减少残余泵浦光成分，该特性已在近红外和中红外超连续谱中得到验证。光学相干断层扫描技术需采用宽谱脉冲作为探测光源以实现高质量扫描成像。宽谱脉冲结合可调谐滤波器可构建具有宽带波长调谐范围的脉冲激光器，特别适用于波长相关型光纤传感应用。但目前实现高能量、超宽带、稳定输出的类噪声脉冲仍存在一定的难题。

创新研究

针对超宽带类噪声脉冲的能量提升问题，研究团队设计了如图1所示的实验结构，基于腔内非线性响应增强，通过对商业化标准单模光纤的长度控制实现了超宽带类噪声脉冲产生。利用双向泵浦方案提高超宽带类噪声脉冲的能量，最终获得了700 nJ以上，30 dB带宽为380 nm超宽带类噪声脉冲，为目前最高能量的超宽带类噪声脉冲。实验通过单模光纤的长度优化表明超宽带类噪声脉冲的获得需要在非线性放大环内使用短的单模光纤，而在单向环内使用长的单模光纤，如图2所示。

图1 高能量超宽带类噪声光纤激光器实验结构

NALM：非线性放大环形镜；UR：单向环

图2 不同单模光纤长度对输出光谱的影响。(a)3 dB带宽,(b)30 dB带宽

尽管通过非保偏结构获得了高能量的超宽带类噪声脉冲，然而其对环境低的抗干扰能力以及有限的自启动能力限制了实际的使用前景。为此，研究团队进一步设计了全保偏光纤激光器中超宽带类噪声脉冲产生的结构方案，如图3（a）所示。与非保偏结构类似，通过单向环内使用长的被动光纤实现宽谱的类噪声脉冲，而非线性放大环内使用一个线性相移器提供足够的相移以实现自启动锁模。与非保偏光纤激光器结构不同的是，实验仅通过增加泵浦功率可以实现类噪声脉冲输出。

图3 (a)全保偏超宽带类噪声脉冲光纤激光器结构和(b)单级全保偏放大结构

研究团队系统性研究了保偏耦合器的耦合比、被动光纤长度和类型对超宽带类噪声脉冲光谱的影响。最终通过结构参数的优化获得了如图4所示的超宽带类噪声脉冲，30 dB光谱宽度能够达到418.2 nm，输出功率最大为90.1 mW，信噪比为62.2 dB。这是我们首次在全保偏光纤激光器中实现了超宽带类噪声脉冲输出。

图4 (a)光谱与(b)功率随泵浦功率的变化曲线(c)脉冲时域与(d)射频光谱在不同测量范围下的特征

受限于种子源低的功率，超宽带类噪声脉冲的能量较低。为此，我们采用如图3（b）所示的单级放大结构，进一步提高脉冲能量和功率至2.68 μJ和14.4 W。放大后的NLP光谱覆盖范围扩展至2400 nm以上。

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总结与展望

研究团队对超宽带类噪声脉冲光纤激光器开展了性能提升研究，针对光纤激光器的脉冲能量，采用双向泵浦与腔内非线性响应增强方案实现了脉冲能量超过700 nJ的超宽带类噪声脉冲。为了能够增强超宽带类噪声脉冲光纤激光器的抗干扰能力以及稳定性，实验研究了全保偏结构产生超宽带类噪声脉冲的方案，并通过相移器与被动光纤的使用以及结构参数的系统优化实现了30 dB光谱宽度为418.2 nm的超宽带类噪声脉冲。进一步，未来可以采用更低损耗光纤和器件以及主振荡功率放大系统实现光纤激光器的能量提升与百瓦级功率的获得。

论文信息

Zhao D, Wu Z, Zhu X, et al. "High-energy ultra-wideband noise-like pulse emitted from a Tm-doped fiber laser," Optics Letters, 50, 6762-6765 (2025). Doi: 10.1364/OL.578662.

Zhao D, Zhu X, Wu Z, et al. "Direct generation and amplification of ultra-broadband noise-like pulse in an all-PM Tm-doped fiber laser system, " Journal of Lightwave Technology, 43, 5843-5849 (2025). Doi: 10.1109/JLT.2025.3555830.

论文相关研究得到国家自然科学基金、山西省重点研发、山西省基础研究项目的支持。