国防科技大学?光学工程学科专刊：超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展（特邀）_技术资讯_资讯信息

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编者按

2023年，国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略，全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果，中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”，并特邀国防科技大学气象海洋学院的孟洲教授团队为专刊撰写“超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展” 综述文章，文中按照三个发展阶段依次梳理和总结了布里渊光纤激光器的研究进展，重点阐述了紧凑型布里渊掺铒光纤激光器的机理、特性和应用，并对其未来发展方向进行展望。

撰稿人：孟洲，陈默

论文题目：超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展（特邀）

作者：陈默，王建飞，路阳，胡晓阳，陈伟，孟洲

完成单位：国防科技大学气象海洋学院

导读

超窄线宽（~ kHz）激光器是激光技术领域长期以来重要的研究热点之一。光学精密测量、光学传感、相干光通信、原子光钟等诸多领域对超窄线宽激光器有着迫切的需求。

光纤中受激布里渊散射（SBS）是一种重要的光纤非线性效应，可用于产生超窄线宽激光。传统的布里渊光纤激光器（BFL）需要高泵浦功率（几百mW甚至上W）或者满足苛刻的泵浦耦合谐振条件。传统的布里渊掺铒光纤激光器（BEFL）克服了泵浦耦合谐振条件，且具有低阈值（~mW）与较高功率（~10mW），但是超百米的腔长使其容易产生跳模。采用高掺杂特种光纤缩短腔长，会导致激光器阈值较高（＞100mW）和功率较低（~mW）等其它问题。针对如何在克服泵浦耦合谐振条件的前提下实现短腔（＜10m）、低阈值（~mW）的超窄线宽布里渊光纤激光器，课题组开展深入研究，创新提出基于一段普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的方案，实现了短腔、低阈值、Hz量级超窄线宽的紧凑型BEFL。无需复杂的电路反馈控制技术或精密的温度隔离封装措施即可实现稳定的超窄线宽激光输出，有望在各种高相干光学领域发挥重要的作用。

研究背景

目前，光纤系统中普遍使用的超窄线宽激光器主要有固体激光器、半导体激光器(LD)和掺铒光纤激光器（EDFL）。固体激光器的输出波长通常为1.0μm或1.3μm，难以应用于C波段光通信/传感系统中。外腔式半导体激光器基于电流调谐,快速调谐稳定性较差。掺铒光纤激光器的线宽在kHz量级，但是它需要各种线宽压缩技术以抑制跳模，且基于饱和吸收体的EDFL中心频率漂移严重。

一台理想的光源需要同时具有超窄线宽、中心频率稳定以及快速调谐稳定的特性。上述几种传统的激光器难以同时具备这三个特性，因此迫切需要研究新的超窄线宽激光技术。基于光纤受激布里渊散射的布里渊光纤激光器，天然地具有超窄线宽性能，能够实现Hz量级的窄线宽激光。传统的布里渊光纤激光器需要高泵浦功率或苛刻的泵浦耦合谐振腔，要求较高且难以实现快速调谐。传统的布里渊掺铒光纤激光器易于发生跳模且同样难以实现快速调谐。如何实现同时具有超窄线宽、中心频率稳定以及快速调谐稳定的新型布里渊光纤激光器成为研究人员需要克服的难题。

主要内容

自1976年首台布里渊光纤激光器被报道，至今经过近50年的发展，超窄线宽布里渊光纤激光器主要经历三个发展阶段。早期的布里渊光纤激光器基于单模光纤谐振腔，由于单模光纤较小的布里渊增益系数，布里渊泵浦阈值超过数百毫瓦。采用反馈控制电路对谐振腔长度或者泵浦光频率进行实时调节保证布里渊泵浦光在腔内谐振，即满足泵浦耦合谐振条件，可将布里渊泵浦阈值功率降低至百微瓦量级。但是BFL无法实现频率的快速调谐，且额外的控制电路增加了BFL的复杂度和实现难度，电路系统也会向BFL引入额外的附加噪声。

图1 主动稳频布里渊光纤激光器结构图

为了克服泵浦耦合谐振条件，降低布里渊光纤激光器的实现难度，研究人员在传统BFL腔内引入一个掺铒光纤放大器（EDFA）补偿腔损，实现了BEFL，即布里渊光纤激光器的第二阶段。它结合了掺铒光纤中大幅值的线性增益和单模光纤中窄带的布里渊增益的优势，同时具有超窄线宽特性以及阈值低、功率高、易于实现的优势。但是它需要百米单模光纤提供布里渊增益，过长的腔长使得激光跳模容易发生，中心频率不稳定。使用高非线性增益的特殊光纤可以缩短腔长，但是这些光纤的固有损耗以及与其它光纤的熔接损耗较大，导致激光器输出功率较低、泵浦阈值功率较高。

图2 布里渊掺铒光纤激光器结构图

如何实现基于常规光纤的超短腔BEFL成为布里渊光纤激光器进一步发展需要解决的难题。课题组创新地提出基于一段数米普通掺铒光纤同时提供布里渊增益与线性增益的紧凑型BEFL，突破了传统BEFL难以同时具有超短腔与低阈值的限制，将超窄线宽布里渊光纤激光器技术推进了第三阶段。该新型BEFL的特色与亮点体现在以下几个方面：

图3 紧凑型BEFL结构图

1、机理新颖、结构紧凑、易于实现

紧凑型BEFL之前的布里渊光纤激光器均基于普通单模光纤中的SBS或者是高非线性光纤中的SBS。没有研究者考虑使用普通掺铒光纤作为布里渊增益介质，因为理论上数米普通掺铒光纤的SBS阈值高达数瓦。课题组在长期的理论与实验研究基础上，突破固有思维限制，创新地采用数米普通掺铒光纤同时作为布里渊增益与线性增益介质构造了结构紧凑的超短腔BEFL理论上。进一步理论与实验研究均表明，谐振腔内掺铒光纤的线性增益可以大幅降低SBS发生难度，毫瓦量级的布里渊泵浦功率即可满足要求，能够保证紧凑型BEFL稳定运转产生布里渊激光。

2、性能优异，同时具有Hz量级超窄线宽、中心频率稳定与快速调谐稳定的特性

基于掺铒光纤中SBS的固有机理，紧凑型BEFL具有强烈的线宽压缩能力。布里渊泵浦光注入激光腔后转换为布里渊激光，线宽可以被压缩5个数量级，不需要复杂的电路反馈控制技术或精密的温度隔离封装措施即可实现Hz量级的超窄线宽激光输出。实验结果表明紧凑型BEFL具有3Hz的超窄线宽和-125dB（re 1rad/Hz^1/2，@1kHz，1m光程差）的超低相位噪声。其优异的线宽和相位噪声性能能够媲美甚至优于代表目前商用超窄线宽激光器最高水平之一的外腔式半导体激光器模块。

图4 紧凑型BEFL的3Hz超窄线宽激光输出

图5 紧凑型BEFL的相位噪声谱

紧凑型BEFL具有稳定的中心频率。BEFL输出频率相比布里渊泵浦光频率下移一个布里渊频移，频移大小由掺铒光纤本身性质、环境温度和光纤应力决定。当掺铒光纤的温度、应力保持不变时，BEFL的频率由布里渊泵浦光频率决定。通常半导体激光器具有良好的中心频率稳定性，它作为布里渊泵浦光，产生的BEFL相比泵浦光具有稳定的布里渊频移，因此BEFL也具有较好的中心频率稳定性。实验结果表明2小时内BEFL和布里渊泵浦光的频率漂移分别为25MHz和20MHz。掺铒光纤激光器，特别是基于饱和吸收体的掺铒光纤激光器受环境影响较大，中心频率慢漂比较严重，一小时漂移约250MHz。与之相比，紧凑型BEFL具有非常优异的中心频率稳定性。

紧凑型BEFL的另一个优势是可以实现稳定的快速调谐。传统的BFL需要满足泵浦耦合谐振条件，不能随意对腔长进行大幅的调制。传统的BEFL腔长过长，难以实现高效的频率调制。紧凑型BEFL不受泵浦耦合谐振条件的限制，且腔长很短，可以利用PZT调制实现高效的激光频率调谐。它最高可实现60MHz的频率调谐范围，调谐速率最高可达48kHz，相位噪声在1kHz频率处为-124dB（re 1rad/Hz^1/2，归一化至1m光程差），且具有稳定的频率快速调谐。

图6 不同调制电压下快速调谐BEFL的频率调谐幅度与调制电压的关系

3、具有完全自主知识产权

超窄线宽激光器是干涉型光纤传感系统的关键核心器件，直接影响整个传感系统的性能。目前普遍使用的高性能超窄线宽激光器为进口的外腔式半导体激光器或者分布反馈式光纤激光器。如果这个关键器件长期依赖进口，那么整个传感系统的发展就会受到限制。紧凑型BEFL具有完全独立的自主知识产权，对于推进光纤传感系统的全国产化具有十分重要的作用与意义。

结论

超窄线宽布里渊光纤激光器经过几十年的发展，已经取得了长足的进步。特别的，基于普通掺铒光纤的紧凑型BEFL，不需要泵浦耦合谐振条件，同时具有腔长短、阈值低、功率较高、线宽超窄、中心频率稳定和快速调谐稳定的特性，在光纤传感等诸多应用领域具有十分重要的应用前景。特别的，在基于PGC技术的干涉型光纤传感系统中，要求光源同时具备超窄线宽、快速调谐稳定、中心频率稳定的特性。现有的超窄线宽掺铒光纤激光器和超窄线宽半导体激光器均无法同时满足上述三个条件，紧凑型BEFL的优异特性使其成为基于PGC技术的光纤传感系统的理想光源。未来紧凑型BEFL将向模块化与工程化的方向发展，以广泛应用到各种高相干光学领域，充分发挥其优异的超窄线宽特性。

作者及团队简介

团队介绍：

课题组依托于复杂环境光纤信息技术国家地方联合工程实验室，围绕光纤水声探测技术开展干涉型光纤传感系统研究，目前已研制出具有完全自主知识产权的干涉型光纤传感器、超窄线宽光源、高精度信号解调算法等，有力支撑了国内新型水下探测技术发展与应用。

作者介绍：

孟洲，女，国防科技大学教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，全国三八红旗手，装备发展部某专业组专家，科技委创新特区某领域主题副组长，教育部海洋科学类专业教学指导委员会委员，中国光学工程学会第一届海洋光学专家委员会委员，中国光学工程学会光纤传感技术专家工作委员会常务理事。长期从事光纤传感、超窄线宽光纤激光器、海洋探测等领域研究工作，先后负责完成国家军队基础研究和重点重大项目30余项，获军队科技进步一、二等奖3项，军队教学成果二等奖2项，授权国家发明专利42项，发表学术论文200余篇。

陈默，女，国防科技大学气象海洋学院副研究员，博士学位论文获评湖南省优秀博士学位论文。从事光纤及光电子技术领域研究工作，主要研究方向为光纤传感和光纤激光技术，先后负责国家自然科学青年基金、国家重点研发计划子课题及军队基础研究项目等科研任务5项，主要从事超窄线宽激光器及新型光纤矢量传感技术研究。获国家发明专利授权9项，在Journal of Lightwave Technology、Optics Letters、Optics Express等国际知名期刊、国际会议发表学术论文20余篇，担任美国光学学会和Elsevier出版集团旗下多个期刊的审稿人。

文章信息

陈默, 王建飞, 路阳, 胡晓阳, 陈伟, 孟洲. 超窄线宽布里渊光纤激光器研究进展(特邀)[J]. 红外与激光工程. doi: 10.3788/IRLA20230131

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230131（阅读原文）

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文章转载自微信公众号：光电e+

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