1.   引　言

掺铥高功率光纤激光器具有电光转换效率高、光束质量好、结构简单紧凑、环境适应能力强、稳定性好等特点^[1]。2 μm波段掺铥光纤激光器(TDFL)的输出波长处于人眼安全波段，且同时覆盖了多个重要的吸收带，因此被应用于诸多领域，如激光医疗手术、激光雷达和激光大气监测与传感等^[2-5]。由于水分子在该波段具有较高的吸收峰，能够实现对生物组织精准、高效的消融与切割，可以用做激光手术刀^[6]。此外，2 μm光纤激光在泌尿系统中应用效果良好，在临床医疗中多用于结石粉碎^[7]。

最近几年，2 µm波段高功率TDFL成为了研究热点，主振荡功率放大器(MOPA)结构以其光束质量好、参数可调等优点成为主流的中高功率光纤激光器设计方法^[8-9]。2013年，Zhou等人^[10]报道了一种100 W高功率Tm³⁺掺杂全光纤MOPA，其由一级放大结构组成，最大输出激光功率为100.4 W，斜率效率为56%。同年，Wang等人^[11]报道了一种利用分布式布里渊散射效应(SBS)研制的新型全光纤结构被动调Q 2 μm TDFL，最大输出功率为2.49 W，斜率效率为12%，脉宽为20 ns，单脉冲能量为50 μJ。2014年，该团队^[12]报道了一种由声光调制器(AOM)调制的窄带脉冲激光器作为种子源的两级2 μm掺Tm³⁺光纤放大器，在50 kHz重频下得到超过50 W的最大输出平均功率，最大单脉冲能量为1 mJ。2015年，该团队^[13]报道了全光纤高功率石墨烯锁模Tm/Ho共掺光纤激光器。在中心波长1879.4 nm处产生高达7 MHz的超快脉冲，脉冲宽度为4.7 ps。该团队研制的TDFL都为脉冲光纤激光器，单脉冲能量和平均功率较低。2016年，Yang等人^[14]采用MOPA结构获得了中心波长为1940 nm的窄线宽高功率全光纤激光器，在356 W的泵浦功率下获得了高达140.9 W的激光输出功率，对应的光-光转化效率为39.6%。2017年，PAL D等人^[15]实现了输出功率为16.1 W、斜率效率为65.6%的1950 nm CW激光，在QCW工作模式下，已测量400 µJ至5 mJ范围内的脉冲能量，峰值功率为16 W，设计的激光器已成功用于体外肾结石破碎。同年，Shen等人^[16]报道了一种采用全光纤MOPA结构实现400 W窄线宽TDFL，放大器的激光光谱线宽在1941 nm处为67 pm。但只能在CW模式下工作，有一定局限性。2020年，Zhang^[17]等人利用镀金镜上沉积的溶液处理硫化铅(PbS)纳米粒子(NPs)，并将其作为可饱和吸收体(SA)，调制2 µm Tm³⁺掺杂光纤激光器，产生超快脉冲。锁模掺Tm³⁺光纤激光器在波长为1993 nm处获得平均输出功率为115.6 mW(重复频率15 MHz)，最大脉冲能量为7.3 nJ，脉宽为4.24 ps，峰值功率为1.7 kW。该TDFL采用环形腔结构，平均功率和单脉冲能量都较低。2021年，Shin J S等人^[18]采用MOPA结构得到了中心波长为2050 nm的连续波TDFL，最大输出功率为204.6 W，泵浦功率为350.4 W，放大器的斜率效率经测量为58.4%，但其同样只能在CW模式下工作。

随着MOPA技术和光纤合束技术的迅速发展，TDFL的输出功率已经达到了数百瓦至千瓦级别，但传统793 nm激光二极管(LD)搭建的激光器在大功率泵浦下，光纤的热效应管理难以得到有效控制，如何提高激光器的效率是目前急需解决的问题^[19-24]。本文设计了一种利用光纤光栅对实现全光纤结构的高功率TDFL，可在CW和QCW两种模式下工作。在CW模式下，实验研究了增益光纤长度和泵浦功率对激光特性的影响。激光波长可以稳定在1940 nm，光谱无自发辐射(ASE)和拉曼成分。通过合理控制水冷温度对系统进行热管理，在最大输出功率为66.9 W时，斜率效率达48.48%。在QCW模式下，频率和占空比可调，当频率为75 Hz，占空比为10%时，峰值功率达80.3 W。结果表明：该光纤激光器具有高功率和高鲁棒性，具有广阔的应用前景。

2.   实验装置

高功率全光纤MOPA结构TDFL由线性激光振荡器和双包层光纤放大器组成，实验装置如图1所示。采用光纤激光输出头（EFC）输出激光。整体结构采用水冷控温（水冷机温度设定为25 °C）。

图  1  2-μm高功率激光器示意图 。LD：激光二极管； CPS：包层功率剥离器；EFC：光纤激光输出头

Figure  1.  Schematic diagram of 2-μm high power fiber laser. LD: laser diode; CPS: cladding power stripper; EFC: endcaped fiber cable

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种子源实物图如图2(a)所示，振荡器采用江苏天元激光公司生产的2个793 nm LD作为泵浦源，其最高平均输出功率为20 W，输出尾纤的纤芯和包层直径分别为105 μm和125 μm。考虑掺铥光纤(TDF)的吸收特性，其主要在790、1180和1550 nm波段处各有一个较强的吸收峰，由于790波段处的吸收峰大于1180和1550 nm波段处的吸收峰，且用793 nm LD泵浦TDFL能够高效率地激发交叉弛豫过程，提高高功率TDFL的量子效率。因此，选用光纤耦合输出中心波长为793 nm的多模LD作为泵浦源。使用(2+1)×1大功率多模泵浦信号合束器（combiner）将2个LD输出的光耦合进TDF中，耦合效率为95%。前向泵浦不仅有利于泵浦光和种子光的耦合，且由于泵浦光的输入端与信号光的输出端不在同一方向上更便于两者分离，使输出激光光束质量高。因此，光纤放大器和种子激光器均采用前端泵浦方式。增益介质为武汉长进激光公司CJTDF-10/130型双包层TDF，其纤芯和内包层直径分别为10 μm和130 μm、对应的数值孔径分别为0.14和0.46，所用TDF在793 nm处的泵浦吸收系数为4.7 dB/m，总长度4 m。将一对光纤光栅置于TDF两侧构成谐振腔，光纤类型为无源双包层光纤，光纤的纤芯、包层尺寸及数值孔径与TDF相匹配。其中，高反射率光纤光栅（HR-FBG）的反射率为99.5%，3 dB带宽为2.2 nm，中心波长为1939.91 nm；低反射率光纤光栅的（LR-FBG）反射率为9.2%，3 dB带宽为1 nm，中心波长为1939.87 nm。腔内剩余泵浦光经包层功率剥离器（CPS）去除，以获得良好的光束质量。实验中采用2 kW功率计测量激光输出功率，同时，用Yokogawa公司AQ6375型光谱分析仪（光谱分辨率为0.05 nm）对输出光谱进行记录。QCW模式是通过泵浦控制驱动器对LD进行内部调制获得的，用InGaAs光电探测器(Thorlabs)和示波器(Tektronix, Inc.) 测量脉冲形状。

图  2  2-μm高功率激光器种子源和放大级实物图

Figure  2.  Physical diagrams of the seed source and amplification stage of the 2-μm high-power laser

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如图2(b)所示，为得到更高的输出功率，采用自制的掺铥光纤放大器对种子光进行功率放大。光纤功率放大器主要包括4个最大输出功率为75 W的LD、(6+1)×1的多模泵浦信号合束器、8 m长的大模场面积（LMA）的双包层TDF、CPS等。双包层LMA-TDF的纤芯直径为25 μm，数值孔径为0.10，内包层直径为400 μm，数值孔径为0.46，该增益光纤在793 nm处的包层吸收系数为2.4 dB/m。为了有效散热，改善输出激光的光束质量和掺铥光纤功率放大器的转换效率，将8 m长的TDF包裹在水冷板内冷却。在输出端采用大功率的CPS对未吸收的泵浦光进行滤光。激光器各部分之间均采用光纤熔接，形成全光纤一体化结构。本实验在种子源和放大级间插入隔离器（ISO），目的是防止放大级激光的ASE击穿器件。然而，在插入ISO后，激光输出功率和光光转换效率明显下降。这一原因归结于ISO的插入损耗较大。为保证激光器输出更高能量，后续实验中移除ISO。同时，遵循先关放大级，再关种子源的操作流程，确保激光器安全稳定运转。

3.   实验结果与分析

3.1   种子激光器输出特性

为保证进入放大级光源的光束质量，测量了主振荡器的输出特性。当把793 nm泵浦的功率增加至4 W时，种子源开始产生稳定的连续激光输出，由于TDF与无源光纤的熔接损耗相对较高以及受各器件插入损耗等的影响，TDFL的起振阈值较高。图3为采用分辨率为0.05 nm的光谱分析仪测得的种子源的光谱，其中心波长为1940 nm，与实验所用光纤布拉格光栅(FBG)的反射峰一致，边模抑制比为−16.15 dB，3 dB光谱线宽为0.09 nm，同时光谱中无793 nm光的吸收峰，证明泵浦光已被完全吸收。该激光振荡器较好的光谱特性得益于实验中使用了较长的TDF。较长的TDF可以充分吸收泵浦光，且对短波ASE成分具有重吸收效应，有利于ASE的抑制和长波段激光的激发，其次，较高反射率的输出光纤光栅能够提供足够强的信号光反馈，使1940 nm波段激光在与其它光谱成分的谱线增益竞争中占据优势，从而有助于抑制寄生振荡和短波ASE。值得注意的是，边模抑制比较低是由于测量方法导致的。输出的激光经过功率计探头表面反射进入光谱接收器，该过程中激光能量损耗较大，进入光谱仪的激光功率低，因此边模抑制较低。

图  3  种子激光器光谱图

Figure  3.  Spectrogram of the seed laser

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由于铥光纤激光器(TFL)以准三能级方式运转^[19]，掺杂光纤的温度对激光输出特性影响很大，因此实验中所用的TDF固定在水冷板上，用来减少量子亏损、提高激光的光-光转化效率。图4(a)为种子源的输出功率和光-光转化效率随泵浦功率的变化关系图。种子源的平均输出功率和光-光转化效率随泵浦功率几乎成线性增加。当泵浦功率较低时，测得LD的中心波长在785 nm处，导致输出激光的光-光转化效率较低。随泵浦功率的增加，中心波长逐渐接近793 nm，双包层TDF对泵浦光的吸收效率增加，激光的光-光转化效率逐渐增加。当种子源泵浦满功率输出时，通过红光激光器使EFC对准功率计的中心位置，以保证输出功率的测量更准确，并提高光纤熔接质量，得到种子源的最大激光输出功率为18.6 W，相应的光-光转化效率为49%，斜率效率为54.84%。通常地，光纤中非线性效应的发生将导致激光输出功率急剧降低，然而从图4(a)中可以看出，在高泵浦功率情况下连续TFL的光-光转化效率并没有任何降低，表明本实验并未产生受激拉曼散射（SRS）等非线性效应。这归因于TDF较高的掺杂浓度以及较大的纤芯直径，它们有效地提高了非线性效应产生的阈值。为确定种子激光器在最高输出功率时的稳定性，本实验测量了输出功率在18.6 W时的功率波动，如图4(b)所示，25 min内的功率波动±0.2 W，这表明激光器可以长时间保持稳定的功率输出。

图  4  种子激光器输出特性图

Figure  4.  Output characteristics of seed laser

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3.2   MOPA激光器输出特性

将种子源连接到放大级，放大级只开2个LD，在种子源泵浦输入功率百分比为80%，测试放大级泵浦输入功率百分比从10%到100%条件下，MOPA激光器在不同输出功率下的光谱。图5(彩图见期刊电子版)为TDFL输出功率分别为10 W、30 W、54 W时的输出光谱。可见，不同输出功率下的光谱形状、中心波长及光谱线宽基本保持不变。在最大输出功率为54 W时测得输出激光的中心波长为1940 nm，3 dB光谱线宽为0.10 nm，与种子激光的中心波长保持一致。图5表明，TDFL没有产生寄生振荡，放大过程中也没有产生较强的ASE。

图  5  MOPA激光器在不同输出功率时的光谱

Figure  5.  Spectram of MOPA laser at different output powers

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如图6(a)所示为MOPA激光器的输出功率和光-光转化效率随放大器中LD泵浦功率变化的关系图。可见，TDFL的输出功率和光-光转化效率随泵浦功率几乎成线性增加。当泵浦功率增加到178 W时，TDFL产生了54 W输出功率，相应的光-光转化效率为30%，斜率效率为41.79%。实验中，测量了MOPA激光器输出功率为54 W时的功率波动，在30 min内测得激光功率波动性为±1%，波动较小主要归因于实验中使用了全光纤集成的光学元器件。

图  6  优化前后MOPA激光器输出特性图

Figure  6.  Output characteristics of MOPA laser before and after optimization

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由拉曼阈值公式^[20]可知，通过缩短光路有效长度可以提高光-光转化效率，因此将放大级TDF的长度缩短至6 m。图6(b)为优化后的激光器的输出功率和光-光转化效率随放大器中LD泵浦功率变化趋势图。结果表明，实验优化后，激光器的输出功率和光-光转化效率均显著提高，在种子源泵浦激光器输入功率百分比为80%，放大级泵浦激光器满功率输出时，激光器的最大平均功率达58.5 W，计算得光-光转化效率为33%，斜率效率为44.74%。

将放大级的4个LD全部开启，通过增加泵浦功率，激光器的输出性能有一定程度的提高。在种子源泵浦激光器输入功率百分比为80%时，激光器输出功率和光-光转化效率随放大器中LD泵浦功率变化的关系如图7所示。当放大级泵浦激光器输入功率百分比为60%时，最大激光输出功率为66.9 W，光-光转化效率为37.64%，斜率效率为48.48%。由此可知，可以通过增加LD的泵浦功率来提高激光器的输出性能。

图  7  放大级开4个泵后，MOPA激光器的输出功率和转化效率随泵浦功率的变化

Figure  7.  Output power and conversion efficiency of the MOPA laser versus the pump power after turning on 4 pumps in the amplified stage

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为检查激光器的散热状态，水冷机温度设置为25 °C，在放大过程中用红外热像仪检查了各熔接点以及TDF的表面温度。由于导热膏覆盖了TDF，TDF的最高表面温度无法准确测量，只能测量导热膏表面的温度。激光输出功率高达66.9 W时，放大级的TDF与CPS熔接点的温度为56.9 °C，其余熔接点温度相对较低。

在QCW操作模式下，通过泵浦调制，TDFL的占空比可在1%到100%内变化，重复频率50 Hz~2 kHz可调节。在频率为50、75、100、125、150、175 Hz，占空比为10%~100%内进行测试，如图8(彩图见期刊电子版)所示。可见，低频率条件下，输出功率与调制频率相关性弱，只与占空比有关。计算得峰值功率、脉冲能量和脉宽分别为66.4~80.3 W，40 mJ~1.33 J和500 μs~20 ms。重复频率为50 Hz、占空比为5%、脉冲宽度为1 ms的脉冲的激光脉冲和脉冲序列如图9所示。

图  8  不同调制频率下，激光输出功率和占空比的关系

Figure  8.  Laser output power versus the duty cycle under different modulation frequencies

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图  9  重复频率为50 Hz，脉冲宽度为1 ms的脉冲

Figure  9.  Pulses with 50 Hz repetition rate and 1 ms pulse width

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4.   结　论

本文设计了一种基于MOPA结构的全光纤高功率TDFL，可以实现CW和QCW两种模式。种子源的最大输出激光为18.56 W，斜率效率为54.84%。MOPA激光器的最大输出功率为66.9 W，斜率效率为48.48%，放大过程未观察到SRS和ASE。在最大输出功率下，激光中心波长为1940 nm，光谱半高宽为0.10 nm。种子放大良好，光谱特征无明显变化。QCW模式的最大峰值功率为80.3 W，脉冲能量为1.33 J。QCW操作模式能够调整脉冲持续时间、平均功率、能量和重复频率，满足激光碎石手术中对TFL参数的要求，可用于控制消融率并限制手术过程中的热损伤，具有良好的应用前景。