近1μm波段可调谐光纤光源的研究进展

党文佳，高 奇，李 哲*，李 刚*

（1. 西安航空学院理学院，陕西 西安 710077；2.中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室，陕西西安710119；3.中国科学院大学，北京100049）

1 引 言

随着光纤传感、激光冷却、光化学、光谱学以及医疗等领域对光纤光源输出波长多样化需求的不断增加，光谱范围在近1μm波段的可调谐光纤光源已逐渐衍生为光纤光源领域的一个重要分支[1]。能够实现波长调谐的光纤光源主要有4类：传统掺镱光纤激光器、拉曼光纤激光器、随机光纤激光器以及窄带滤波超荧光光纤光源，在这些光纤系统中引入波长调谐器件就能够实现不同激光波长的输出。常采用的调谐手段有：①利用衍射光栅、可调谐滤波器等器件来实现波长调谐；②利用非线性效应实现级联输出；③利用干涉效应实现波长的调谐输出。它们在波长调谐机理和方案上存在差异，且各具优势。目前，可调谐光纤光源的输出功率虽然已经从瓦量级突破了千瓦量级，但是受到放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）、非线性效应、系统结构、光谱线宽等因素的影响，很难同时获得宽调谐范围、高功率和高效率输出。因此，研究高功率、宽调谐范围的光纤光源具有重要的科学意义和应用价值。

本文首先介绍这4类光纤光源的波长调谐原理以及优缺点，综述近几年近1μm波段高功率可调谐光纤光源的研究进展，然后分析在功率提升和波长可调谐范围拓展方面存在的限制因素，最后对高功率、宽调谐范围的光纤光源的发展提出展望。

2 传统可调谐光纤激光器

自1964年Snitzer等人首次在光纤中实现光放大以来[2]，光纤激光技术已逐渐成为光学领域的一个重要研究分支。随着光纤材料、半导体泵浦源、光纤器件等基础技术的快速发展，掺镱光纤光源也不断向着更大功率、更高光束质量的方向发展，并且逐渐在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用[3-5]。由于掺镱光纤（Yb-Doped Fiber, YDF）具有从950 nm到1 200 nm的荧光光谱[6]，掺镱光纤激光器除了能够实现数千瓦甚至上万瓦的光功率输出以外，还能在宽光谱范围内实现中心波长的连续可调。目前，可调谐掺镱光纤激光器（Tunable Yb-Doped Fiber Laser,TYDFL）主要是通过在光纤激光系统中引入波长调谐器件实现，它继承了光纤激光器的结构简单、光束质量好、功率和效率高等优点。TYDFL可以按照不同的分类方法进行划分，例如：①根据谐振腔类型可分为线形腔TYDFL和环形腔TYDFL两类；②根据系统结构类型可分为空间结构TYDFL和全光纤结构TYDFL两类；③根据波长调谐方式可分为滤波型TYDFL、光栅型TYDFL等。本节基于线形腔TYDFL和环形腔TYDFL的分类方式来分析TYDFL的输出特性、发展历程以及存在的问题。

2.1 环形腔结构可调谐掺镱光纤激光器

环形腔TYDFL工作在行波状态，激光在光纤系统内单向传输，一般不使用光纤光栅等反射器件来构成谐振腔，结构简单易于集成，通常包括半导体泵浦源、增益光纤、隔离器、泵浦合束器、激光分束器以及波长控制器件等。在纵模间隔方面，环形腔结构一般是线形腔的两倍，并且在输出激光功率和输出频率方面，环形腔结构往往更为稳定[7]。

早在2001年，法国鲁昂大学的A.Hideur等人已经基于全光纤环形腔结构的TYDFL实现了调谐范围为1 040~1 100 nm的激光输出，激光线宽约为0.1 nm，受限于当时全光纤器件的功率承载能力，全光纤环形腔结构TYDFL的输出功率较低，最高功率为800 mW[8]。

2002年，德国汉诺威激光中心的M.Auerbach等人搭建了Littrow-Littman腔结构的环形腔TYDFL，利用全息衍射光栅（Holographic Diffraction Grating,HDG）对波长进行调节，获得调谐范围为1 032~1 124 nm、最高输出功率为10 W的线偏振激光，所有波长的线宽均小于2.5 GHz[9]。该激光系统为空间结构，空间光学元件包括波片、全反射镜、偏振分束器、衍射光栅、法拉第旋光器、透镜等，大量的空间光学元件使得系统较为复杂。

2011年，英国布里斯托大学的A.Silva等人利用声光可调谐滤波器（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）作为调谐元件搭建了空间结构的环形腔可调谐光纤振荡器，该振荡器能够在1 030~1 110 nm之间以20 nm/ms的速度进行波长扫描输出，输出功率在0.225 W和0.435 W之间。然后，他们在振荡器后增加了一级空间结构的激光放大器，将功率提升至8.3~10 W之间，波长调谐范围略减小至1 035~1 105 nm[10]。

2013年，法国波尔多大学的R.Royon等人为了使掺镱光纤激光器能够工作在三能级状态，以将波长调谐范围扩展至976~1 020 nm，进行了理论和实验研究。他们采用大模场棒状掺镱光纤作为增益介质、以AOTF作为波长调谐元件搭建了空间结构的环形腔TYDFL。该TYDFL在976~1 120 nm之间的每个波长的输出功率均大于10 W，并在1 030 nm处获得41 W的激光输出，如图1所示[11]。该TYDFL的波长调谐范围宽达144 nm，几乎覆盖了掺镱光纤的荧光光谱范围，是目前为止调谐范围最宽的空间结构掺镱光纤激光器。

图1 (a)可调谐光纤激光器的结构图；(b)不同波长的最大输出功率[11]Fig.1(a)Experimental setup of the tunable fiber laser;(b)maximum output power at different wavelengths[11]

2014年，中国科学院上海光学精密机械研究所的冯衍等人利用可调谐带通滤波器（Tunable Bandpass Filter,TBPF）和隔离器搭建了全光纤环形激光谐振腔，其输出波长的调谐范围为1 000~1 099 nm。为进一步提升输出功率，他们在谐振腔后增加了两个全光纤激光放大器，每一级放大器之前采用TBPF来滤除放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）对放大系统的影响。第一级放大器后每个波长的输出功率均大于8 W，并在1 030 nm处获得18.2 W的激光功率，在第二个放大器之后实现了光谱范围为1 012~1 090 nm、输出功率均大于29 W的线偏振激光输出。由于存在严重的ASE，当波长大于1 090 nm时，信号光的效率降至14%[12]。从该研究结果可以看出，ASE将是限制调谐范围拓展的重要因素。

2019年，印度科学研究所的V.Balaswamy等人搭建了由可调谐环形腔种子源和一个全光纤放大器构成的主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier,MOPA）结构TYDFL。由于种子光的输出功率和激光线宽呈幂指数关系，因此通过调节种子光功率可以控制激光线宽，放大器采用反向泵浦结构来实现线宽对输出功率相关性的解耦，从而实现系统的波长、功率和线宽独立可调。其中，在2~8 W之间改变种子源功率，其激光线宽也从0.2 nm变化到1 nm；经光纤放大器后的激光波长调谐范围为1 050~1 100 nm，每个波长的功率均提升至100 W以上，并在1 085 nm获得130 W的激光输出[13]。

2020年，清华大学的闫平等人基于环形腔TYDFL研究了1 018 nm同带泵浦技术对不同波长激光放大特性的影响。种子源是一个包含TBPF的环形腔光纤激光器，前两级放大器采用976 nm激光二极管（Laser Diode,LD）作为泵浦源，第三个放大器采用1 018 nm光纤激光器作为泵浦源。最终，光纤激光系统在1 060~1 090 nm光谱范围内的每个波长的激光功率均大于1 kW，线宽约为100 pm，如图2（彩图见期刊电子版）所示[14]。在放大过程中，由于ASE、SBS以及量子亏损对每个波长的影响存在差异，故每个波长的斜率效率在79.4%~85.6%的范围内变化。

图2 (a)可调谐光纤激光系统结构示意图；(b)不同波长的输出功率[14]Fig.2(a)Structural diagram of the tunable fiber laser;(b)output powers at different wavelengths[14]

2.2 线形腔结构可调谐光纤激光器

线形腔TYDFL一般是由增益光纤、泵浦源、波长调谐器件以及具有反射镜作用的光学元件组成，结构简单且激光器工作在驻波状态。

2004年，南开大学的付圣贵等人制备了一种光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating,FBG），通过拉伸或压缩FBG能够调节其反射光谱，从而能够控制光纤激光器的输出波长。他们采用该FBG作为波长调谐器件，搭建了空间结构的线形腔TYDFL，在1 046.6~1 062.2 nm的光谱范围内实现了最大117 mW的激光输出[15]。拉伸或压缩FBG的目的是通过改变其周期从而控制其反射波长，但是FBG的形变量存在极限，因此该方案的调谐范围仅有16 nm左右。

2005年，墨西哥光学研究中心的R.Selvas等人设计了一种新型波长调谐装置，该装置将单模光纤一端与长度为15 mm的105/125μm多模光纤拼接，并通过调节多模光纤与宽带反射镜之间的距离来实现波长调谐。但由于该方案存在难以避免的损耗与调节难度，他们基于该装置仅实现1 088~1 097 nm的波长调谐范围，输出功率在460~550 mW之间，未能超过瓦量级[16]。

2007年，南开大学的李乙钢等人采用闪耀光栅作为色散元件，分别搭建了前向与后向输出结构的可调谐掺镱光子晶体光纤激光器。基于前向输出结构实现了1 050.6~1 110.2 nm的连续可调输出，最高功率为677 mW@1 085 nm；后向输出结构的波长调谐范围为1 042.1~1 093 nm，并在1 075 nm处获得最大输出功率为2.21 W[17]。由于光子晶体光纤的模场面积较大，该TFL的输出功率达到了瓦量级。

2007年，德国汉诺威激光中心的M. Hildebrandt等人以外腔半导体激光器（External-Cavity Diode Lasers,ECDL）作为种子源搭建了MOPA结构的TYDFL。ECDL采用Littman-Metcalf谐振腔结构，能够输出线宽为1 MHz、功率为40~65 mW、调谐范围为1 020~1 085 nm的激光，种子光经过两级放大，在1 040~1 085 nm之间实现了超过120 W的激光输出，但是在1 045~1 080 nm之间的激光波长ASE占比较少，输出功率大于130 W[18]。

2007年，瑞典皇家理工学院的F.Laurell等人利用体布拉格光栅对激光器的输出波长进行调节，在1 022~ 1 055 nm的光谱范围内实现了最高4.3 W的激光输出，每个波长的光谱线宽约为5 GHz，光束质量M2<1.3[19]。2013年，他们采用横向啁啾体布拉格光栅对波长进行锁定，并通过优化光栅上的光束直径来控制激光线宽。他们仅用一个空间结构的谐振腔，就能够在1 064~1 073 nm的光谱范围内实现100 W的波长连续可调的激光输出。另外，他们通过推导光栅的衍射效率计算了系统的波长拓展及功率提升能力，计算结果表明该光栅能够在1 028~1 118 nm之间实现1 050 W的激光输出[20]。因此，波长调谐元件的性能是决定激光器输出功率和调谐范围的一个重要因素。

2008年，厦门大学的FAN Y Y等人数值模拟了反射率、光纤长度和散射损耗等参数对TYDFL系统的影响，并以闪耀光栅作为波长选择器件搭建了线形腔TYDFL，获得了调谐范围为1 046~1 121 nm、平均功率>20 W、3 dB线宽<0.5 nm的波长连续可调的激光输出[21]。

2016年，美国IPG公司的R.Yagodkin等人基于他们在高功率光纤激光器领域的技术积累，研制出了能够对窄线宽可调谐种子激光进行千瓦量级放大的光纤放大器工程模块。放大器工程模块由两个预放大器和一个主放大器组成，并且系统中未使用可以用来抑制ASE的滤波器件。为权衡受激布里渊散射和模式不稳定（Mode Instability,MI）两者的阈值特性，他们对光纤长度、芯径等参数进行了优化。该放大器工程模块能够工作在1 030~1 070 nm之间的任意波长，输出功率大于1.5 kW，光束质量M2<1.1。在实验中，他们发现MI阈值与波长相关，MI限制了长波长激光的功率提升[22]。

2017年，国防科技大学的周朴等人采用MOPA结构同样将TFL的输出功率提升至千瓦量级。种子激光功率为0.6 mW、调谐范围为1 000~1 100 nm，光纤放大器包括3个单模保偏放大器、1个大模场保偏放大器和1个主放大器。最终，在1 065~1 090 nm的光谱范围内，每个波长均实现了超过1 kW的激光输出，线宽约为0.12 nm，如图3（彩图见期刊电子版）所示[23]。从光谱图中可以看出：各个波长在功率放大时，仍存在不同程度的ASE，并且波长越长，ASE占比越多，因此ASE限制了TYDFL的波长拓展与功率提升。

图3 (a)可调谐光纤激光器的结构图；(b)主放大器的输出功率；(c)主放大器的输出光谱[23]Fig.3(a)Structural diagram of the tunable fiber laser;(b)output power in the main amplifier;(c)spectra of the lasers from the main amplifier[23]

另外，由于在光纤传感、光谱学、计量学等方面对TFL的激光线宽要求较高，因此能够获得kHz或者MHz激光线宽的单频TYDFL也成为重要的研究方向，但是由于其线宽较窄，故难以获得较高功率输出。2005年，中国科学技术大学的王安廷等人基于分布布拉格反射光纤激光器，在1 036.1~1 056.5 nm之间实现了线宽<8 MHz的激光输出，功率为4 mW[24]；2007年，德国汉诺威激光中心的M.Engelbrecht基于Littman-Littrow结构的环形腔TYDFL，在1 017~1 043 nm之间实现了线宽为5 MHz的激光输出，最大功率为31 mW[25]；2011年，清华大学的YIN F F等人基于被动多环形腔结构（Multiple-Ring Cavity,MRC）实现了调谐范围为1 020~1 080 nm、功率为100 mW的单纵模激光输出[26]；2019年，西北大学的白晋涛等人基于双环形器复合腔，在1 040~1 080 nm之间获得了线宽平均为2.82 kHz的激光输出[27]，同年他们又设计一种复合腔结构的可调谐单频光纤激光器，在1 030~1 090 nm之间实现线宽平均为8.7 kHz、最大功率为18.5 mW的激光输出[28]。

从TYDFL的研究进展可以看出，其研究方向主要集中在波长调谐范围拓展和输出功率提升两方面，并且空间结构的环形腔TYDFL能够获得大于100 nm的调谐范围，但是空间结构的线形腔TYDFL的调谐范围却小于50 nm，另外两者存在的大量空间光学元件使得系统较为复杂，插入损耗较大，功率难以提升。全光纤结构的TYDFL因ASE、MI、SBS等因素的限制，在获得千瓦量级的激光输出的同时，难以将调谐范围拓展至小于1 030 nm和大于1 090 nm。单频TYDFL具有更复杂的腔结构，并且由于其线宽极窄，输出功率仅为毫瓦量级，如果在满足应用要求的前提下适当增加激光线宽，输出功率可以进一步提升。我们将TYDFL的研究进展在表1中进行了汇总，这样能够更清晰地对比其发展历程。

表1 可调谐掺镱光纤激光器的研究进展Tab.1 Research progress of tunable ytterbium-doped fiber lasers

3 可调谐拉曼光纤激光器

传统光纤激光器的工作原理是增益介质的粒子数反转与能级跃迁，其工作波长由掺杂离子的能带结构决定。而拉曼光纤激光器则是利用了光纤材料本身存在的受激拉曼散射这一非线性效应，其工作波长由泵浦光波长和斯托克斯频移两者共同决定[29]，理论上可以实现任意波长的激光输出。因此，通过控制泵浦波长与级联拉曼输出能够实现可调谐拉曼光纤激光输出。

早在1977年，美国贝尔实验室的Chinlon Lin等人就研究了基于衍射光栅的可调谐拉曼光纤激光器（Tunable Raman Fiber Laser,TRFL）的输出特性，并且TRFL一阶斯托克斯波长的调谐范围为1 085~1 130 nm，二阶斯托克斯波长的调谐范围为1 150~1 175 nm[30]，这是首次在1.1μm波段实现可调谐拉曼光纤激光输出。

2005年，德国汉堡-哈尔堡工业大学的S.Cierullies等人采用4个可调谐FBG、两对波长分别为1 105 nm和1 154 nm的辅助光栅以及600 m的高拉曼增益光纤搭建了Sagnac-loop结构的全光纤级联TRFL，实现了1 110~1 230 nm的可调谐拉曼激光输出，最大输出功率约为700 mW[31]。

2007年，俄罗斯科学院的S.A.Babin等人采用调谐范围为1 070~1 110 nm的TYDFL作为泵浦源，以长度为370 m的磷硅体系的掺镱光纤作为增益介质，搭建了可调谐拉曼光纤激光器。通过改变泵浦源波长和拉曼激光谐振腔的光栅形变量，获得了在1 250~1 300 nm之间波长连续可调的激光输出，最高输出功率为3.2 W@1 300 nm[32]。

2008年，加拿大拉瓦尔大学的E.Bélanger等人采用1 064 nm的掺镱光纤激光器作为泵浦源，并利用一对可调谐FBG和125 m的HI980光纤搭建了TRFL，实现了1 075~1 135 nm的可调谐拉曼激光输出，最高功率达到5 W[33]。

2010年，法国里尔大学的F. Anquez等人采用调谐范围为1 060~1 100 nm的TYDFL作为泵浦源，利用500 m的磷硅光纤来提供拉曼增益搭建了环形腔TRFL，其中磷硅光纤的斯托克斯频移为40 THz。TRFL的输出波长能够从1 240 nm连续调至1 289 nm，最高输出功率为2.5 W@1 268 nm[34]。

为了将TRFL的功率提升至百瓦以上，2012年德国弗劳恩霍夫应用光学与精密研究所的M.Rekas等人在可调谐拉曼振荡器之后增加了一个拉曼放大器。拉曼振荡器由衍射光栅和6 km的单模光纤构成，并由1 067.5 nm的激光器进行泵浦，能够为拉曼放大器提供功率为0.7~1 W、调谐范围为1 118~1 130 nm的种子光，剩余的1 067.5 nm的激光经掺镱光纤放大器放大至300 W，为拉曼放大器提供泵浦，最终拉曼放大器在1 118~1 130 nm之间实现了最大208 W的可调谐拉曼激光输出[35]。因此，从该实验可以看出，拉曼放大器是提升TRFL输出功率的一种有效途径，但是拉曼光纤放大器输出激光的波长调谐范围也同时受限于拉曼增益谱范围（约40 THz）[36]。

2018年，国防科技大学的周朴等人采用一个MOPA结构的TYDFL作为拉曼激光器的泵浦源，也实现了百瓦级的可调谐拉曼激光输出。TYDFL在1 055~1 080 nm之间能够提供最大172.8 W的输出功率；拉曼激光谐振腔由59 m的掺锗传输光纤、一个宽带光纤环形器和4%的端面反馈组成，其斜率效率约为79%，最终在1 112~1 139.6 nm之间获得了波长连续可调的一阶拉曼激光输出，如图4（彩图见期刊电子版）所示，其最大输出功率为125.3 W，但是一阶拉曼激光的阈值高达40 W，并且3 dB线宽也均大于3 nm[37]。

图4 (a)可调谐泵浦源的输出光谱；(b)可调谐拉曼光输出光谱[37]Fig.4(a)Output spectra of the tunable pump source;(b)output spectra of the tunable Raman laser[37]

表2 总结了可调谐拉曼光纤激光器的研究进 展，可以看出，TRFL的优势是能够在掺杂光纤的发射带以外获得不同波长的激光输出，但其也存在阈值高、光纤较长、激光线宽较宽等缺点。在放大过程中起振的二阶拉曼光在限制一阶拉曼光功率提升的同时，通过系统设计也可以被用来拓展波长的调谐范围。

表2 可调谐拉曼光纤激光器的研究进展Tab.2 Research progress of tunable Raman fiber lasers

4 可调谐随机光纤激光器

随机光纤激光器（Random Fiber Laser,RFL）是一种不存在点式反馈器件和传统意义上的谐振腔结构的新型光纤激光器，通常由光纤中的瑞利散射效应、随机布拉格光栅等提供随机反馈，并可由受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）效应、受激布里渊散射效应以及掺杂光纤中的稀土离子等来提供增益，因此其在相干性、光谱特性、时域特性以及统计特性等方面展现出了独特的物理属性[38-39]。本小节主要分析基于瑞利散射随机反馈的可调谐随机光纤激光器，同时拉曼增益、镱离子发射波长以及瑞利散射的宽带特性也为宽光谱范围的波长调谐提供了可能性。

国防科技大学周朴团队在随机光纤激光器方面的研究主要集中在高功率输出方向，但在可调谐随机激光输出方面也做了较多工作。2015年，他们用5 m掺镱光纤提供镱离子增益、采用1 km单模传输光纤中的瑞利散射效应提供随机反馈，并利用一个手动调节的TBPF来控制波长，实现了输出波长能够从1 040 nm连续调至1 090 nm的可调谐随机光纤激光器[40]。2018年，他们利用450 m的10/125μm保偏光纤同时提供拉曼增益与随机反馈，并在系统中插入波长与线宽同时可调的TBPF，实现了从1 095 nm至1 115 nm的波长调谐，最高输出功率为23 W[41]。同年，他们采用MOPA结构的TYDFL作为泵浦源，并基于半开腔结构将1 113.76~1 137.44 nm中每个波长的输出功率提升至100 W以上[42]。

中国科学院上海光学精密机械研究所的冯衍课题组在宽谱可调谐随机光纤激光器方面的研究较为深入。2016年，他们采用调谐范围为1 020~1 080 nm的TYDFL作为泵浦源，并配合高阶拉曼激射获得了1 070~1 370 nm的可调谐随机激光输出[43]。2017年，为了进一步拓宽调谐范围，他们将光纤更换为零色散波长>2μm的拉曼光纤，获得了10阶拉曼光激射，并最终在1~1.9μm的超宽光谱范围内实现了可调谐随机激光输出，但是输出功率仅为瓦量级，如图5所示[44]。2018年，为了进一步提高输出功率，他们采用功率为250 W、波长为1 064 nm的MOPA结构掺镱光纤激光器作为泵浦源，并在第9阶拉曼波长（1806 nm）处获得了100.1 W的激光输出[45]。

图 5 (a)可调谐随机光纤激光器结构图；(b)1~1.9 μm的输出光谱[44]Fig. 5 The configuration of the tunable fiber laser; (b) output spectra plotted from 1 to 1.9 μm[44]

印度科学研究所的V. Balaswamy在随机光纤激光器方面的主要研究方向与冯衍课题组有相似之处，主要集中在高阶激光产生、宽谱可调谐。他们研究工作的亮点是，提出了一种包含可变截止短通滤波器与宽带反射镜的反馈装置，基于该装置他们实现了调谐范围为>450 nm的随机激光输出[46]，在1.1~1.5μm之间将每个波长的光谱纯度提升至97%以上[47]。

表3 总结了各单位在可调谐随机光纤激光器方面取得的研究成果。由于随机光纤激光器的输出波长只与泵浦波长和拉曼增益有关，且系统结构比拉曼光纤激光器更加灵活，因此其波长调谐范围宽度高达~1 μm。

表 3 可调谐随机光纤激光器的研究进展Tab. 3 Research progress of tunable random fiber lasers

5 可调谐超荧光光纤光源

超荧光光纤光源（Superfluorescent Fiber Source,SFS）本质是一种ASE光源，工作在一种介于荧光与激光之间的过渡状态。SFS不存在谐振腔结构，输出光谱与各个波长的净增益相关，对于基于掺镱光纤的SFS而言，能够在1030~1090 nm之间获得宽达数十纳米的输出光谱[48]。因此，在系统中插入TBPF能够获得可调谐窄带输出的SFS。

2009年，英国南安普顿大学的WANG P等人采用衍射光栅作为波长选择器件搭建了空间结构SFS，验证了掺镱SFS的波长可调谐输出特性，波长调谐范围为1034~1084 nm，输出功率仅为135 mW[49]。

2019年，国防科技大学的周朴团队利用线宽与波长同时可调的TBPF对超荧光光纤光源进行滤波，得到了能够在1045~1095 nm之间连续可调的窄带SFS信号。然后采用3级放大结构对滤波信号进行放大，最终在1050~1075 nm之间实现了大于106 W的可调谐窄带超荧光输出[50]。

中国科学院西安光学精密机械研究所从SFS理论[51]、输出特性控制[51]、窄带SFS放大特性[52]以及可调谐输出等方面进行了系统研究。2018年，基于MOPA结构实现了调谐范围为1045~1080 nm、输出功率为30 W的可调谐窄带SFS[53]。2020年，采用衍射光栅将宽带SFS的光谱成分在空间展开，然后通过可移动的空间光纤耦合器可以选择需要的波长进行进一步放大，最终使1052.4~1072.8 nm之间的每个波长均能放大至230 W以上[54]。但由于较强的重吸收以及ASE竞争，小于1050 nm的波长难以放大至较高功率。同年，基于同样的波长调谐结构，通过优化SFS系统参数，在1035~1055 nm之间实现了大于300 W的超荧光输出[55]。为进一步提升功率，本课题组采用TBPF对宽谱SFS进行滤波，实现了从1026.1 nm至1 091.5 nm的波长调谐。可调谐种子光经2级预放大器和1个主放大器放大后，在1 045~1 085 nm之间实现了千瓦量级的可调谐超荧光输出，如图6（彩图见期刊电子版）所示[56]。

图6 (a)系统结构图；(b)不同波长的输出功率及效率；(c)最大功率时的输出光谱[56]Fig.6(a)Experimental setup;(b)output power and slope efficiency at different wavelengths;(c)output spectra at the maximum output power[56]

表4 对可调谐超荧光光纤光源的研究进展进行了总结，目前已实现kW量级的功率输出。可调谐SFS的结构比TYDFL要更加简单，更容易实现波长调谐，常用来作为可调谐种子光源。另外，高功率SFS也常用作光谱组束系统的组束光源，掺铥光纤激光器等其他稀土掺杂光纤激光器的泵浦源，以及无散斑成像领域的非相干光源等。随着研究人员对SFS更加深入地研究，其应用领域也越来越广泛。

表4 可调谐超荧光光纤光源的研究进展Tab.4 Research progress of tunable superfluorescent fiber sources

6 总结和展望

本文对4类可调谐光纤光源的研究进展进行综述，可知：基于掺镱光纤优异的高功率放大特性，可调谐掺镱光纤激光器和可调谐掺镱超荧光光纤光源均能够实现超过1 kW的波长调谐，但两者的波长调谐范围均受限于掺镱光纤的荧光光谱范围，并且由于ASE、SRS、短波长重吸收等问题的存在，调谐范围内每个波长的放大特性也存在较大差异，因此在小于1 030 nm和大于1 090 nm的光谱区间内如何提升激光的净增益、实现高信噪比的功率放大是一个重要的研究方向。可调谐拉曼光纤激光器和可调谐随机光纤激光器均基于SRS提供增益，能够在稀土离子发射带外的波长实现高功率输出，是获得非常规波长的重要手段，目前功率已分别突破200 W和100 W，但两者也同时存在光纤长度较长、阈值高、高阶拉曼光激射等问题，造成了光谱纯度较低和功率提升困难，因此在光谱拓展的同时如何抑制高阶拉曼光激射并提升信号光的光谱纯度仍需深入研究。另外，空间结构可调谐光纤光源的灵活性优于全光纤结构光源，但随着可调谐滤波器、可调谐光纤光栅等全光纤器件的发展，逐渐被稳定性更高的全光纤结构可调谐光纤光源取代。

可调谐光纤光源具有较强的发展潜力和应用前景。例如在光谱组束领域，中国科学院上海光学精密机械研究所的郑也等人利用同一个SFS获得波长分布于1 055~1 085 nm的多路不同波长光纤光源，并基于多层介质膜光栅实现了10.8 kW的功率合成[57]；在气体光谱学领域，可调谐拉曼光纤激光器能够在1~2μm之间实现任意波长的较高功率的激光输出，为该应用方向提供了一种理想光源。

虽然，可调谐光纤光源在调谐范围拓展和功率提升方面取得了一定的进展，但在光谱控制理论、波长调谐方式等方面仍有诸多科学问题亟待解决，在光纤传感、激光冷却、光化学、光谱学以及医疗等领域的应用仍需进一步挖掘。