该文档属于类型a，是一篇关于高功率2微米飞秒光纤激光器的原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告：

高功率2微米飞秒光纤激光器的研究进展

作者及单位
本研究由Peng Wan、Lih-Mei Yang和Jian Liu共同完成，作者单位均为美国加州圣何塞的PolarOnyx公司。论文发表于2013年9月的《Optics Express》期刊（卷21，期18），DOI编号为10.1364/OE.21.021374。

学术背景

研究领域与动机
2微米波段的飞秒脉冲激光在多个领域具有重要应用价值，例如高效高次谐波X射线产生、中红外光谱学、材料加工、激光诱导击穿光谱（LIBS）以及人眼安全遥感等。铥（Tm）掺杂光纤激光器因其结构紧凑、稳定性高而备受关注。然而，传统2微米光纤激光器在实现高功率飞秒脉冲时面临挑战，主要源于常规光纤在2微米波段的反常色散（anomalous dispersion）难以有效补偿，导致孤子锁模（soliton mode-locking）不稳定，并伴随Kelly边带的产生。这些边带会限制功率和能量的放大效率。

研究目标
本研究旨在开发一种高功率偏振保持（polarization maintaining, PM）飞秒Tm掺杂光纤激光系统，通过色散补偿技术优化锁模稳定性，并实现78 W的平均输出功率（压缩前），同时探索其在放大过程中的非线性效应抑制策略。

实验方法与流程

研究分为五个主要步骤：种子振荡器设计、脉冲展宽、两级预放大、高功率放大及脉冲压缩。

1. 种子振荡器设计

• 核心组件：
  
  • 增益介质：2米长的PM双包层Tm掺杂光纤（芯径10 μm，数值孔径NA=0.15）。
    
  • 泵浦源：793 nm多模激光二极管，通过泵浦-信号合束器耦合。
    
  • 锁模元件：半导体可饱和吸收镜（SESAM），调制深度12%，弛豫时间10 ps。
    
  • 色散补偿：采用具有正常色散（normal dispersion, +0.52 ps²）的啁啾光纤布拉格光栅（chirped fiber Bragg grating, CFBG），部分补偿常规光纤的反常色散（-0.0849 ps²/m）。
    
• 创新点：通过CFBG替代传统的色散补偿光纤（DCF），显著缩短腔长至3.25米，实现30.84 MHz的高重复频率锁模脉冲，且光谱无Kelly边带。
  
• 输出特性：中心波长2011 nm，光谱带宽10.5 nm，平均功率18 mW，脉宽2.9 ps（未压缩）。
  

2. 脉冲展宽

• 展宽器：650米常规单模光纤（SMF-28e+），提供26 ps/nm的色散量，将脉宽拉伸至273 ps，以匹配后续压缩器的色散需求。
  

3. 两级预放大

• 第一级预放大：
  
  • 增益光纤：2.5米PM Tm掺杂双包层光纤，芯径10 μm。
    
  • 泵浦功率：3.8 W（793 nm），输出功率103 mW，光谱无展宽。
    
• 第二级预放大：
  
  • 泵浦功率：7.7 W（双泵浦二极管），输出功率1.48 W，光谱带宽增至12.8 nm（受自相位调制SPM影响）。
    

4. 高功率放大

• 增益介质：4.5米PM Tm掺杂大模场面积（large mode area, LMA）光纤（芯径25 μm），水冷散热。
  
• 泵浦配置：16个793 nm泵浦二极管（总功率222 W），分4组通过合束器耦合。
  
• 输出结果：最高输出功率78 W（增益17.2 dB），单脉冲能量2.53 μJ，斜率效率32%。光谱随功率增加展宽至21 nm（受拉曼散射影响）。
  

5. 脉冲压缩

• 压缩器：双通啁啾体积布拉格光栅（chirped volume Bragg grating, CVBG），色散量26 ps/nm。
  
• 结果：压缩后平均功率36 W，脉宽790 fs（假设sech²脉冲轮廓），信噪比>20 dB。
  

主要结果与逻辑关系

1. 种子振荡器：通过CFBG实现近零色散锁模，避免了孤子边带问题，为高重复频率放大奠定基础。
   
2. 脉冲展宽：长光纤拉伸脉宽以降低放大过程中的非线性效应（如SPM和SRS）。
   
3. 预放大与主放大：阶梯式放大策略确保功率提升的同时控制光谱展宽，最终输出78 W（压缩前）。
   
4. 压缩效率：CVBG的高效率压缩（>94%）验证了系统的色散匹配设计，尽管光谱展宽导致部分能量损失。
   

研究结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 首次实现78 W平均功率的2微米飞秒光纤激光系统（压缩前），为高功率超快激光提供了新设计范式。
     
   • 通过CFBG色散补偿和CVBG压缩，解决了传统Tm光纤激光器中孤子锁模的限制。
     
2. 应用价值：
   
   • 适用于需要高功率中红外脉冲的领域，如精密加工、非线性光谱学和远程传感。
     
   • 偏振保持设计增强了系统在复杂环境中的稳定性。
     

研究亮点

1. 技术创新：
   
   • 采用CFBG替代DCF，缩短腔长并提升重复频率至30.84 MHz。
     
   • 结合CVBG压缩器，实现高功率下的高效脉冲压缩（790 fs）。
     
2. 性能突破：78 W输出功率为当时2微米飞秒光纤激光器的最高纪录。
   
3. 非线性抑制：通过高重复频率和脉冲展宽策略有效抑制SPM和SRS效应。
   

其他有价值内容

• 资助信息：研究部分由美国能源部SBIR计划（DE-SC0004279）资助。
  
• 扩展性：作者指出后续将进一步提升功率和脉冲能量，表明该技术路线具有持续优化潜力。
  

（全文约1800字）