短波红外区域的激光源已被广泛应用于外科手术、材料加工、激光雷达、遥感以及中红外、高次谐波、太赫兹、极紫外光的频率转换等领域，这些应用都极大地受益于激光源的效率和平均功率的提高。输出波长为2 μm的掺铥（Tm）光纤激光器系统通常使用793 nm的泵浦。但是，在某些场合，例如需求搭建高脉冲能量系统时，传统的793 nm泵浦会面临交叉驰豫贡献降低和热负荷增大的问题。本文使用1700 nm左右的泵浦源，论述了采用带内泵浦在构建高脉冲能量系统时斜率效率高、热负荷小的优点[1]。
图1展示了Tm³的能级图。众所周知，在793 nm泵浦时，Tm光纤放大器中可以发生交叉弛豫，从而大幅度提高放大效率。但是只有在低反转率的情况下工作时，交叉驰豫贡献较高，这也就意味着光纤的增益效率较低，所以在搭建高脉冲能量系统时的高反转率会导致交叉驰豫贡献降低。功率的提高和效率的降低还会导致热负荷增大，而升温将会减少Tm光纤的吸收和发射截面，导致增益效率显著降低。如果要维持相同的增益率，发射截面的减小就意味着需求更高的反转率，这又进一步导致交叉驰豫的正贡献降低，再次导致斜率效率降低，带来更高的热效应，形成恶性循环，这就是793 nm泵浦在构建高脉冲能量系统时表现不佳的原因。
图1 Tm³前四个能级图，包括主要的吸收和发射跃迁过程（实线箭头）以及交叉驰豫过程（虚线箭头）（左图）。³H带（红色）和³F带（绿色）的吸收截面与发射截面（蓝色）（右图）[1]。
采用 1550 nm 至 1910 nm 波长范围内的带内泵浦可以成为一种减小热负荷的有效方案，同时带内泵浦的效率也不依赖于交叉驰豫，可以避开上述的恶性循环。Tm³在带内波长区域的吸收截面峰值位于 1650 nm 左右，因此本文将约 1700 nm作为首选的泵浦波段。
图2 掺铥光纤放大实验装置 [1]。
如图2所示，本文在掺铥光纤放大实验中使用了三种泵浦源：
（1）50 W、1728 nm的二极管激光泵浦，放大的斜率效率为 75%。
（2）370 W、1692 nm的拉曼光纤泵浦，放大的斜率效率为 80%。斜率效率低于86%的斯托克斯理论极限主要是由于交叉驰豫的负贡献导致的，但这个负贡献相对于793 nm 泵浦的交叉弛豫的正贡献低约一个数量级。因此，在使用带内泵浦时交叉驰豫引入的负贡献对斜率效率的影响相对较小。
（3）300 W、793 nm的多模二极管激光泵浦，斜率效率达到47%。此外，模拟显示1692 nm泵浦相较于793 nm泵浦，光纤热负荷明显更低（如图3）。
图3 不同的输出功率下，使用1692 nm泵浦（绿线）和793 nm泵浦（红线）的光纤沿线热负荷的模拟结果[1]。
图4 风冷掺铥光纤放大实验装置[1]。
接下来文章尝试使用风冷系统而非水冷系统来检验带内泵浦的潜力，装置如图4所示，直接放置在实验室环境中（相对湿度40%，温度22 ℃），无任何散热装置。使用1692 nm 波长泵浦，斜率效率高达74%，最大平均输出功率为81 W，这是迄今为止有报道的无散热装置的掺铥光纤放大的最高平均输出功率。而使用793 nm泵浦，达到了23 W的最大输出功率，斜率效率为 30%。
图5 1692 nm泵浦（绿色）和793 nm泵浦（红色）在不同的泵浦吸收功率下的输出功率[1]
对于泵浦吸收功率和输出功率的关系进行模拟，从图5左图可以看出随着泵浦吸收功率的增长，793 nm泵浦的斜率效率很快开始降低，而1692 nm泵浦的斜率效率维持不变，且始终比793 nm泵浦的效率更高。图5右图对1692 nm泵浦进行了更大范围的模拟，1692 nm泵浦在泵浦吸收功率达到25 kW以上才开始表现出明显的效率下降。
综上所述，文章论述了采用带内泵浦具有斜率效率高、热负荷小的优点，有望在将来实现千瓦级、高峰值功率的掺铥光纤激光器系统。
参考文献：
[1] Lenski M, Xu Q, Gierschke P, Wang Z, Heuermann T, Jáuregui C, Limpert J. Average-power scaling of in-band pumped, Tm-doped, fiber laser systems for high peak power pulsed operation. Opt Express. 2025 Apr 7;33(7):16029-16040. doi: 10.1364/OE.553640. PMID: 40219501.
原文标题 : 超快光纤激光技术之四十九 带内泵浦高功率掺铥光纤激光放大系统
