近1μm波段可調諧光纖光源的研究進展

黨文佳，高 奇，李 哲*，李 剛*

（1. 西安航空學院理學院，陜西 西安 710077；2.中國科學院西安光學精密機械研究所瞬態光學與光子技術國家重點實驗室，陜西西安710119；3.中國科學院大學，北京100049）

1 引 言

隨著光纖傳感、激光冷卻、光化學、光譜學以及醫療等領域對光纖光源輸出波長多樣化需求的不斷增加，光譜范圍在近1μm波段的可調諧光纖光源已逐漸衍生為光纖光源領域的一個重要分支[1]。能夠實現波長調諧的光纖光源主要有4類：傳統摻鐿光纖激光器、拉曼光纖激光器、隨機光纖激光器以及窄帶濾波超熒光光纖光源，在這些光纖系統中引入波長調諧器件就能夠實現不同激光波長的輸出。常采用的調諧手段有：①利用衍射光柵、可調諧濾波器等器件來實現波長調諧；②利用非線性效應實現級聯輸出；③利用干涉效應實現波長的調諧輸出。它們在波長調諧機理和方案上存在差異，且各具優勢。目前，可調諧光纖光源的輸出功率雖然已經從瓦量級突破了千瓦量級，但是受到放大的自發輻射（Amplified Spontaneous Emission,ASE）、非線性效應、系統結構、光譜線寬等因素的影響，很難同時獲得寬調諧范圍、高功率和高效率輸出。因此，研究高功率、寬調諧范圍的光纖光源具有重要的科學意義和應用價值。

本文首先介紹這4類光纖光源的波長調諧原理以及優缺點，綜述近幾年近1μm波段高功率可調諧光纖光源的研究進展，然后分析在功率提升和波長可調諧范圍拓展方面存在的限制因素，最后對高功率、寬調諧范圍的光纖光源的發展提出展望。

2 傳統可調諧光纖激光器

自1964年Snitzer等人首次在光纖中實現光放大以來[2]，光纖激光技術已逐漸成為光學領域的一個重要研究分支。隨著光纖材料、半導體泵浦源、光纖器件等基礎技術的快速發展，摻鐿光纖光源也不斷向著更大功率、更高光束質量的方向發展，并且逐漸在工業加工、軍事國防、科學研究等領域得到廣泛應用[3-5]。由于摻鐿光纖（Yb-Doped Fiber, YDF）具有從950 nm到1 200 nm的熒光光譜[6]，摻鐿光纖激光器除了能夠實現數千瓦甚至上萬瓦的光功率輸出以外，還能在寬光譜范圍內實現中心波長的連續可調。目前，可調諧摻鐿光纖激光器（Tunable Yb-Doped Fiber Laser,TYDFL）主要是通過在光纖激光系統中引入波長調諧器件實現，它繼承了光纖激光器的結構簡單、光束質量好、功率和效率高等優點。TYDFL可以按照不同的分類方法進行劃分，例如：①根據諧振腔類型可分為線形腔TYDFL和環形腔TYDFL兩類；②根據系統結構類型可分為空間結構TYDFL和全光纖結構TYDFL兩類；③根據波長調諧方式可分為濾波型TYDFL、光柵型TYDFL等。本節基于線形腔TYDFL和環形腔TYDFL的分類方式來分析TYDFL的輸出特性、發展歷程以及存在的問題。

2.1 環形腔結構可調諧摻鐿光纖激光器

環形腔TYDFL工作在行波狀態，激光在光纖系統內單向傳輸，一般不使用光纖光柵等反射器件來構成諧振腔，結構簡單易于集成，通常包括半導體泵浦源、增益光纖、隔離器、泵浦合束器、激光分束器以及波長控制器件等。在縱模間隔方面，環形腔結構一般是線形腔的兩倍，并且在輸出激光功率和輸出頻率方面，環形腔結構往往更為穩定[7]。

早在2001年，法國魯昂大學的A.Hideur等人已經基于全光纖環形腔結構的TYDFL實現了調諧范圍為1 040~1 100 nm的激光輸出，激光線寬約為0.1 nm，受限于當時全光纖器件的功率承載能力，全光纖環形腔結構TYDFL的輸出功率較低，最高功率為800 mW[8]。

2002年，德國漢諾威激光中心的M.Auerbach等人搭建了Littrow-Littman腔結構的環形腔TYDFL，利用全息衍射光柵（Holographic Diffraction Grating,HDG）對波長進行調節，獲得調諧范圍為1 032~1 124 nm、最高輸出功率為10 W的線偏振激光，所有波長的線寬均小于2.5 GHz[9]。該激光系統為空間結構，空間光學元件包括波片、全反射鏡、偏振分束器、衍射光柵、法拉第旋光器、透鏡等，大量的空間光學元件使得系統較為復雜。

2011年，英國布里斯托大學的A.Silva等人利用聲光可調諧濾波器（Acousto-Optic Tunable Filter,AOTF）作為調諧元件搭建了空間結構的環形腔可調諧光纖振蕩器，該振蕩器能夠在1 030~1 110 nm之間以20 nm/ms的速度進行波長掃描輸出，輸出功率在0.225 W和0.435 W之間。然后，他們在振蕩器后增加了一級空間結構的激光放大器，將功率提升至8.3~10 W之間，波長調諧范圍略減小至1 035~1 105 nm[10]。

2013年，法國波爾多大學的R.Royon等人為了使摻鐿光纖激光器能夠工作在三能級狀態，以將波長調諧范圍擴展至976~1 020 nm，進行了理論和實驗研究。他們采用大模場棒狀摻鐿光纖作為增益介質、以AOTF作為波長調諧元件搭建了空間結構的環形腔TYDFL。該TYDFL在976~1 120 nm之間的每個波長的輸出功率均大于10 W，并在1 030 nm處獲得41 W的激光輸出，如圖1所示[11]。該TYDFL的波長調諧范圍寬達144 nm，幾乎覆蓋了摻鐿光纖的熒光光譜范圍，是目前為止調諧范圍最寬的空間結構摻鐿光纖激光器。

圖1 (a)可調諧光纖激光器的結構圖；(b)不同波長的最大輸出功率[11]Fig.1(a)Experimental setup of the tunable fiber laser;(b)maximum output power at different wavelengths[11]

2014年，中國科學院上海光學精密機械研究所的馮衍等人利用可調諧帶通濾波器（Tunable Bandpass Filter,TBPF）和隔離器搭建了全光纖環形激光諧振腔，其輸出波長的調諧范圍為1 000~1 099 nm。為進一步提升輸出功率，他們在諧振腔后增加了兩個全光纖激光放大器，每一級放大器之前采用TBPF來濾除放大的自發輻射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）對放大系統的影響。第一級放大器后每個波長的輸出功率均大于8 W，并在1 030 nm處獲得18.2 W的激光功率，在第二個放大器之后實現了光譜范圍為1 012~1 090 nm、輸出功率均大于29 W的線偏振激光輸出。由于存在嚴重的ASE，當波長大于1 090 nm時，信號光的效率降至14%[12]。從該研究結果可以看出，ASE將是限制調諧范圍拓展的重要因素。

2019年，印度科學研究所的V.Balaswamy等人搭建了由可調諧環形腔種子源和一個全光纖放大器構成的主振蕩功率放大（Master Oscillator Power Amplifier,MOPA）結構TYDFL。由于種子光的輸出功率和激光線寬呈冪指數關系，因此通過調節種子光功率可以控制激光線寬，放大器采用反向泵浦結構來實現線寬對輸出功率相關性的解耦，從而實現系統的波長、功率和線寬獨立可調。其中，在2~8 W之間改變種子源功率，其激光線寬也從0.2 nm變化到1 nm；經光纖放大器后的激光波長調諧范圍為1 050~1 100 nm，每個波長的功率均提升至100 W以上，并在1 085 nm獲得130 W的激光輸出[13]。

2020年，清華大學的閆平等人基于環形腔TYDFL研究了1 018 nm同帶泵浦技術對不同波長激光放大特性的影響。種子源是一個包含TBPF的環形腔光纖激光器，前兩級放大器采用976 nm激光二極管（Laser Diode,LD）作為泵浦源，第三個放大器采用1 018 nm光纖激光器作為泵浦源。最終，光纖激光系統在1 060~1 090 nm光譜范圍內的每個波長的激光功率均大于1 kW，線寬約為100 pm，如圖2（彩圖見期刊電子版）所示[14]。在放大過程中，由于ASE、SBS以及量子虧損對每個波長的影響存在差異，故每個波長的斜率效率在79.4%~85.6%的范圍內變化。

圖2 (a)可調諧光纖激光系統結構示意圖；(b)不同波長的輸出功率[14]Fig.2(a)Structural diagram of the tunable fiber laser;(b)output powers at different wavelengths[14]

2.2 線形腔結構可調諧光纖激光器

線形腔TYDFL一般是由增益光纖、泵浦源、波長調諧器件以及具有反射鏡作用的光學元件組成，結構簡單且激光器工作在駐波狀態。

2004年，南開大學的付圣貴等人制備了一種光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG），通過拉伸或壓縮FBG能夠調節其反射光譜，從而能夠控制光纖激光器的輸出波長。他們采用該FBG作為波長調諧器件，搭建了空間結構的線形腔TYDFL，在1 046.6~1 062.2 nm的光譜范圍內實現了最大117 mW的激光輸出[15]。拉伸或壓縮FBG的目的是通過改變其周期從而控制其反射波長，但是FBG的形變量存在極限，因此該方案的調諧范圍僅有16 nm左右。

2005年，墨西哥光學研究中心的R.Selvas等人設計了一種新型波長調諧裝置，該裝置將單模光纖一端與長度為15 mm的105/125μm多模光纖拼接，并通過調節多模光纖與寬帶反射鏡之間的距離來實現波長調諧。但由于該方案存在難以避免的損耗與調節難度，他們基于該裝置僅實現1 088~1 097 nm的波長調諧范圍，輸出功率在460~550 mW之間，未能超過瓦量級[16]。

2007年，南開大學的李乙鋼等人采用閃耀光柵作為色散元件，分別搭建了前向與后向輸出結構的可調諧摻鐿光子晶體光纖激光器。基于前向輸出結構實現了1 050.6~1 110.2 nm的連續可調輸出，最高功率為677 mW@1 085 nm；后向輸出結構的波長調諧范圍為1 042.1~1 093 nm，并在1 075 nm處獲得最大輸出功率為2.21 W[17]。由于光子晶體光纖的模場面積較大，該TFL的輸出功率達到了瓦量級。

2007年，德國漢諾威激光中心的M. Hildebrandt等人以外腔半導體激光器（External-Cavity Diode Lasers,ECDL）作為種子源搭建了MOPA結構的TYDFL。ECDL采用Littman-Metcalf諧振腔結構，能夠輸出線寬為1 MHz、功率為40~65 mW、調諧范圍為1 020~1 085 nm的激光，種子光經過兩級放大，在1 040~1 085 nm之間實現了超過120 W的激光輸出，但是在1 045~1 080 nm之間的激光波長ASE占比較少，輸出功率大于130 W[18]。

2007年，瑞典皇家理工學院的F.Laurell等人利用體布拉格光柵對激光器的輸出波長進行調節，在1 022~ 1 055 nm的光譜范圍內實現了最高4.3 W的激光輸出，每個波長的光譜線寬約為5 GHz，光束質量M2<1.3[19]。2013年，他們采用橫向啁啾體布拉格光柵對波長進行鎖定，并通過優化光柵上的光束直徑來控制激光線寬。他們僅用一個空間結構的諧振腔，就能夠在1 064~1 073 nm的光譜范圍內實現100 W的波長連續可調的激光輸出。另外，他們通過推導光柵的衍射效率計算了系統的波長拓展及功率提升能力，計算結果表明該光柵能夠在1 028~1 118 nm之間實現1 050 W的激光輸出[20]。因此，波長調諧元件的性能是決定激光器輸出功率和調諧范圍的一個重要因素。

2008年，廈門大學的FAN Y Y等人數值模擬了反射率、光纖長度和散射損耗等參數對TYDFL系統的影響，并以閃耀光柵作為波長選擇器件搭建了線形腔TYDFL，獲得了調諧范圍為1 046~1 121 nm、平均功率>20 W、3 dB線寬<0.5 nm的波長連續可調的激光輸出[21]。

2016年，美國IPG公司的R.Yagodkin等人基于他們在高功率光纖激光器領域的技術積累，研制出了能夠對窄線寬可調諧種子激光進行千瓦量級放大的光纖放大器工程模塊。放大器工程模塊由兩個預放大器和一個主放大器組成，并且系統中未使用可以用來抑制ASE的濾波器件。為權衡受激布里淵散射和模式不穩定（Mode Instability,MI）兩者的閾值特性，他們對光纖長度、芯徑等參數進行了優化。該放大器工程模塊能夠工作在1 030~1 070 nm之間的任意波長，輸出功率大于1.5 kW，光束質量M2<1.1。在實驗中，他們發現MI閾值與波長相關，MI限制了長波長激光的功率提升[22]。

2017年，國防科技大學的周樸等人采用MOPA結構同樣將TFL的輸出功率提升至千瓦量級。種子激光功率為0.6 mW、調諧范圍為1 000~1 100 nm，光纖放大器包括3個單模保偏放大器、1個大模場保偏放大器和1個主放大器。最終，在1 065~1 090 nm的光譜范圍內，每個波長均實現了超過1 kW的激光輸出，線寬約為0.12 nm，如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[23]。從光譜圖中可以看出：各個波長在功率放大時，仍存在不同程度的ASE，并且波長越長，ASE占比越多，因此ASE限制了TYDFL的波長拓展與功率提升。

圖3 (a)可調諧光纖激光器的結構圖；(b)主放大器的輸出功率；(c)主放大器的輸出光譜[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，由于在光纖傳感、光譜學、計量學等方面對TFL的激光線寬要求較高，因此能夠獲得kHz或者MHz激光線寬的單頻TYDFL也成為重要的研究方向，但是由于其線寬較窄，故難以獲得較高功率輸出。2005年，中國科學技術大學的王安廷等人基于分布布拉格反射光纖激光器，在1 036.1~1 056.5 nm之間實現了線寬<8 MHz的激光輸出，功率為4 mW[24]；2007年，德國漢諾威激光中心的M.Engelbrecht基于Littman-Littrow結構的環形腔TYDFL，在1 017~1 043 nm之間實現了線寬為5 MHz的激光輸出，最大功率為31 mW[25]；2011年，清華大學的YIN F F等人基于被動多環形腔結構（Multiple-Ring Cavity,MRC）實現了調諧范圍為1 020~1 080 nm、功率為100 mW的單縱模激光輸出[26]；2019年，西北大學的白晉濤等人基于雙環形器復合腔，在1 040~1 080 nm之間獲得了線寬平均為2.82 kHz的激光輸出[27]，同年他們又設計一種復合腔結構的可調諧單頻光纖激光器，在1 030~1 090 nm之間實現線寬平均為8.7 kHz、最大功率為18.5 mW的激光輸出[28]。

從TYDFL的研究進展可以看出，其研究方向主要集中在波長調諧范圍拓展和輸出功率提升兩方面，并且空間結構的環形腔TYDFL能夠獲得大于100 nm的調諧范圍，但是空間結構的線形腔TYDFL的調諧范圍卻小于50 nm，另外兩者存在的大量空間光學元件使得系統較為復雜，插入損耗較大，功率難以提升。全光纖結構的TYDFL因ASE、MI、SBS等因素的限制，在獲得千瓦量級的激光輸出的同時，難以將調諧范圍拓展至小于1 030 nm和大于1 090 nm。單頻TYDFL具有更復雜的腔結構，并且由于其線寬極窄，輸出功率僅為毫瓦量級，如果在滿足應用要求的前提下適當增加激光線寬，輸出功率可以進一步提升。我們將TYDFL的研究進展在表1中進行了匯總，這樣能夠更清晰地對比其發展歷程。

表1 可調諧摻鐿光纖激光器的研究進展Tab.1 Research progress of tunable ytterbium-doped fiber lasers

3 可調諧拉曼光纖激光器

傳統光纖激光器的工作原理是增益介質的粒子數反轉與能級躍遷，其工作波長由摻雜離子的能帶結構決定。而拉曼光纖激光器則是利用了光纖材料本身存在的受激拉曼散射這一非線性效應，其工作波長由泵浦光波長和斯托克斯頻移兩者共同決定[29]，理論上可以實現任意波長的激光輸出。因此，通過控制泵浦波長與級聯拉曼輸出能夠實現可調諧拉曼光纖激光輸出。

早在1977年，美國貝爾實驗室的Chinlon Lin等人就研究了基于衍射光柵的可調諧拉曼光纖激光器（Tunable Raman Fiber Laser,TRFL）的輸出特性，并且TRFL一階斯托克斯波長的調諧范圍為1 085~1 130 nm，二階斯托克斯波長的調諧范圍為1 150~1 175 nm[30]，這是首次在1.1μm波段實現可調諧拉曼光纖激光輸出。

2005年，德國漢堡-哈爾堡工業大學的S.Cierullies等人采用4個可調諧FBG、兩對波長分別為1 105 nm和1 154 nm的輔助光柵以及600 m的高拉曼增益光纖搭建了Sagnac-loop結構的全光纖級聯TRFL，實現了1 110~1 230 nm的可調諧拉曼激光輸出，最大輸出功率約為700 mW[31]。

2007年，俄羅斯科學院的S.A.Babin等人采用調諧范圍為1 070~1 110 nm的TYDFL作為泵浦源，以長度為370 m的磷硅體系的摻鐿光纖作為增益介質，搭建了可調諧拉曼光纖激光器。通過改變泵浦源波長和拉曼激光諧振腔的光柵形變量，獲得了在1 250~1 300 nm之間波長連續可調的激光輸出，最高輸出功率為3.2 W@1 300 nm[32]。

2008年，加拿大拉瓦爾大學的E.Bélanger等人采用1 064 nm的摻鐿光纖激光器作為泵浦源，并利用一對可調諧FBG和125 m的HI980光纖搭建了TRFL，實現了1 075~1 135 nm的可調諧拉曼激光輸出，最高功率達到5 W[33]。

2010年，法國里爾大學的F. Anquez等人采用調諧范圍為1 060~1 100 nm的TYDFL作為泵浦源，利用500 m的磷硅光纖來提供拉曼增益搭建了環形腔TRFL，其中磷硅光纖的斯托克斯頻移為40 THz。TRFL的輸出波長能夠從1 240 nm連續調至1 289 nm，最高輸出功率為2.5 W@1 268 nm[34]。

為了將TRFL的功率提升至百瓦以上，2012年德國弗勞恩霍夫應用光學與精密研究所的M.Rekas等人在可調諧拉曼振蕩器之后增加了一個拉曼放大器。拉曼振蕩器由衍射光柵和6 km的單模光纖構成，并由1 067.5 nm的激光器進行泵浦，能夠為拉曼放大器提供功率為0.7~1 W、調諧范圍為1 118~1 130 nm的種子光，剩余的1 067.5 nm的激光經摻鐿光纖放大器放大至300 W，為拉曼放大器提供泵浦，最終拉曼放大器在1 118~1 130 nm之間實現了最大208 W的可調諧拉曼激光輸出[35]。因此，從該實驗可以看出，拉曼放大器是提升TRFL輸出功率的一種有效途徑，但是拉曼光纖放大器輸出激光的波長調諧范圍也同時受限于拉曼增益譜范圍（約40 THz）[36]。

2018年，國防科技大學的周樸等人采用一個MOPA結構的TYDFL作為拉曼激光器的泵浦源，也實現了百瓦級的可調諧拉曼激光輸出。TYDFL在1 055~1 080 nm之間能夠提供最大172.8 W的輸出功率；拉曼激光諧振腔由59 m的摻鍺傳輸光纖、一個寬帶光纖環形器和4%的端面反饋組成，其斜率效率約為79%，最終在1 112~1 139.6 nm之間獲得了波長連續可調的一階拉曼激光輸出，如圖4（彩圖見期刊電子版）所示，其最大輸出功率為125.3 W，但是一階拉曼激光的閾值高達40 W，并且3 dB線寬也均大于3 nm[37]。

圖4 (a)可調諧泵浦源的輸出光譜；(b)可調諧拉曼光輸出光譜[37]Fig.4(a)Output spectra of the tunable pump source;(b)output spectra of the tunable Raman laser[37]

表2 總結了可調諧拉曼光纖激光器的研究進 展，可以看出，TRFL的優勢是能夠在摻雜光纖的發射帶以外獲得不同波長的激光輸出，但其也存在閾值高、光纖較長、激光線寬較寬等缺點。在放大過程中起振的二階拉曼光在限制一階拉曼光功率提升的同時，通過系統設計也可以被用來拓展波長的調諧范圍。

表2 可調諧拉曼光纖激光器的研究進展Tab.2 Research progress of tunable Raman fiber lasers

4 可調諧隨機光纖激光器

隨機光纖激光器（Random Fiber Laser,RFL）是一種不存在點式反饋器件和傳統意義上的諧振腔結構的新型光纖激光器，通常由光纖中的瑞利散射效應、隨機布拉格光柵等提供隨機反饋，并可由受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）效應、受激布里淵散射效應以及摻雜光纖中的稀土離子等來提供增益，因此其在相干性、光譜特性、時域特性以及統計特性等方面展現出了獨特的物理屬性[38-39]。本小節主要分析基于瑞利散射隨機反饋的可調諧隨機光纖激光器，同時拉曼增益、鐿離子發射波長以及瑞利散射的寬帶特性也為寬光譜范圍的波長調諧提供了可能性。

國防科技大學周樸團隊在隨機光纖激光器方面的研究主要集中在高功率輸出方向，但在可調諧隨機激光輸出方面也做了較多工作。2015年，他們用5 m摻鐿光纖提供鐿離子增益、采用1 km單模傳輸光纖中的瑞利散射效應提供隨機反饋，并利用一個手動調節的TBPF來控制波長，實現了輸出波長能夠從1 040 nm連續調至1 090 nm的可調諧隨機光纖激光器[40]。2018年，他們利用450 m的10/125μm保偏光纖同時提供拉曼增益與隨機反饋，并在系統中插入波長與線寬同時可調的TBPF，實現了從1 095 nm至1 115 nm的波長調諧，最高輸出功率為23 W[41]。同年，他們采用MOPA結構的TYDFL作為泵浦源，并基于半開腔結構將1 113.76~1 137.44 nm中每個波長的輸出功率提升至100 W以上[42]。

中國科學院上海光學精密機械研究所的馮衍課題組在寬譜可調諧隨機光纖激光器方面的研究較為深入。2016年，他們采用調諧范圍為1 020~1 080 nm的TYDFL作為泵浦源，并配合高階拉曼激射獲得了1 070~1 370 nm的可調諧隨機激光輸出[43]。2017年，為了進一步拓寬調諧范圍，他們將光纖更換為零色散波長>2μm的拉曼光纖，獲得了10階拉曼光激射，并最終在1~1.9μm的超寬光譜范圍內實現了可調諧隨機激光輸出，但是輸出功率僅為瓦量級，如圖5所示[44]。2018年，為了進一步提高輸出功率，他們采用功率為250 W、波長為1 064 nm的MOPA結構摻鐿光纖激光器作為泵浦源，并在第9階拉曼波長（1806 nm）處獲得了100.1 W的激光輸出[45]。

圖 5 (a)可調諧隨機光纖激光器結構圖；(b)1~1.9 μm的輸出光譜[44]Fig. 5 The configuration of the tunable fiber laser; (b) output spectra plotted from 1 to 1.9 μm[44]

印度科學研究所的V. Balaswamy在隨機光纖激光器方面的主要研究方向與馮衍課題組有相似之處，主要集中在高階激光產生、寬譜可調諧。他們研究工作的亮點是，提出了一種包含可變截止短通濾波器與寬帶反射鏡的反饋裝置，基于該裝置他們實現了調諧范圍為>450 nm的隨機激光輸出[46]，在1.1~1.5μm之間將每個波長的光譜純度提升至97%以上[47]。

表3 總結了各單位在可調諧隨機光纖激光器方面取得的研究成果。由于隨機光纖激光器的輸出波長只與泵浦波長和拉曼增益有關，且系統結構比拉曼光纖激光器更加靈活，因此其波長調諧范圍寬度高達~1 μm。

表 3 可調諧隨機光纖激光器的研究進展Tab. 3 Research progress of tunable random fiber lasers

5 可調諧超熒光光纖光源

超熒光光纖光源（Superfluorescent Fiber Source,SFS）本質是一種ASE光源，工作在一種介于熒光與激光之間的過渡狀態。SFS不存在諧振腔結構，輸出光譜與各個波長的凈增益相關，對于基于摻鐿光纖的SFS而言，能夠在1030~1090 nm之間獲得寬達數十納米的輸出光譜[48]。因此，在系統中插入TBPF能夠獲得可調諧窄帶輸出的SFS。

2009年，英國南安普頓大學的WANG P等人采用衍射光柵作為波長選擇器件搭建了空間結構SFS，驗證了摻鐿SFS的波長可調諧輸出特性，波長調諧范圍為1034~1084 nm，輸出功率僅為135 mW[49]。

2019年，國防科技大學的周樸團隊利用線寬與波長同時可調的TBPF對超熒光光纖光源進行濾波，得到了能夠在1045~1095 nm之間連續可調的窄帶SFS信號。然后采用3級放大結構對濾波信號進行放大，最終在1050~1075 nm之間實現了大于106 W的可調諧窄帶超熒光輸出[50]。

中國科學院西安光學精密機械研究所從SFS理論[51]、輸出特性控制[51]、窄帶SFS放大特性[52]以及可調諧輸出等方面進行了系統研究。2018年，基于MOPA結構實現了調諧范圍為1045~1080 nm、輸出功率為30 W的可調諧窄帶SFS[53]。2020年，采用衍射光柵將寬帶SFS的光譜成分在空間展開，然后通過可移動的空間光纖耦合器可以選擇需要的波長進行進一步放大，最終使1052.4~1072.8 nm之間的每個波長均能放大至230 W以上[54]。但由于較強的重吸收以及ASE競爭，小于1050 nm的波長難以放大至較高功率。同年，基于同樣的波長調諧結構，通過優化SFS系統參數，在1035~1055 nm之間實現了大于300 W的超熒光輸出[55]。為進一步提升功率，本課題組采用TBPF對寬譜SFS進行濾波，實現了從1026.1 nm至1 091.5 nm的波長調諧。可調諧種子光經2級預放大器和1個主放大器放大后，在1 045~1 085 nm之間實現了千瓦量級的可調諧超熒光輸出，如圖6（彩圖見期刊電子版）所示[56]。

圖6 (a)系統結構圖；(b)不同波長的輸出功率及效率；(c)最大功率時的輸出光譜[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 對可調諧超熒光光纖光源的研究進展進行了總結，目前已實現kW量級的功率輸出。可調諧SFS的結構比TYDFL要更加簡單，更容易實現波長調諧，常用來作為可調諧種子光源。另外，高功率SFS也常用作光譜組束系統的組束光源，摻銩光纖激光器等其他稀土摻雜光纖激光器的泵浦源，以及無散斑成像領域的非相干光源等。隨著研究人員對SFS更加深入地研究，其應用領域也越來越廣泛。

表4 可調諧超熒光光纖光源的研究進展Tab.4 Research progress of tunable superfluorescent fiber sources

6 總結和展望

本文對4類可調諧光纖光源的研究進展進行綜述，可知：基于摻鐿光纖優異的高功率放大特性，可調諧摻鐿光纖激光器和可調諧摻鐿超熒光光纖光源均能夠實現超過1 kW的波長調諧，但兩者的波長調諧范圍均受限于摻鐿光纖的熒光光譜范圍，并且由于ASE、SRS、短波長重吸收等問題的存在，調諧范圍內每個波長的放大特性也存在較大差異，因此在小于1 030 nm和大于1 090 nm的光譜區間內如何提升激光的凈增益、實現高信噪比的功率放大是一個重要的研究方向。可調諧拉曼光纖激光器和可調諧隨機光纖激光器均基于SRS提供增益，能夠在稀土離子發射帶外的波長實現高功率輸出，是獲得非常規波長的重要手段，目前功率已分別突破200 W和100 W，但兩者也同時存在光纖長度較長、閾值高、高階拉曼光激射等問題，造成了光譜純度較低和功率提升困難，因此在光譜拓展的同時如何抑制高階拉曼光激射并提升信號光的光譜純度仍需深入研究。另外，空間結構可調諧光纖光源的靈活性優于全光纖結構光源，但隨著可調諧濾波器、可調諧光纖光柵等全光纖器件的發展，逐漸被穩定性更高的全光纖結構可調諧光纖光源取代。

可調諧光纖光源具有較強的發展潛力和應用前景。例如在光譜組束領域，中國科學院上海光學精密機械研究所的鄭也等人利用同一個SFS獲得波長分布于1 055~1 085 nm的多路不同波長光纖光源，并基于多層介質膜光柵實現了10.8 kW的功率合成[57]；在氣體光譜學領域，可調諧拉曼光纖激光器能夠在1~2μm之間實現任意波長的較高功率的激光輸出，為該應用方向提供了一種理想光源。

雖然，可調諧光纖光源在調諧范圍拓展和功率提升方面取得了一定的進展，但在光譜控制理論、波長調諧方式等方面仍有諸多科學問題亟待解決，在光纖傳感、激光冷卻、光化學、光譜學以及醫療等領域的應用仍需進一步挖掘。