本文属于类型a（单篇原创性研究论文），以下是针对该研究的学术报告：
镱铥共掺光纤激光器的发射波长极限研究：1.94 µm、2.09 µm与2.12 µm连续波输出的性能分析
作者与机构：
本研究由法国-德国圣路易研究所（French-German Research Institute of Saint-Louis, ISL）的Christophe Louot领衔，合作者包括波尔多大学（Université de Bordeaux）和Exail公司的研究人员。论文于2024年3月9日发表于期刊《Photonics》（卷11，第246页）。
学术背景
镱（Tm³⁺）和钬（Ho³⁺）掺杂光纤是中红外（2 µm波段）高功率激光器的核心增益介质，但传统Tm³⁺掺杂光纤的发射波长通常局限于1.94–2.05 µm，更长波长（如2.1 µm以上）需依赖Ho³⁺掺杂或Tm³⁺-Ho³⁺共掺光纤。然而，Ho³⁺掺杂光纤的泵浦源（需2 µm波段Tm³⁺激光）技术复杂度高，且功率受限（文献中最高仅407 W）。
本研究旨在探索纯Tm³⁺掺杂光纤在超长波长（≥2.05 µm）的发射潜力，通过优化光纤长度与掺杂浓度，首次实现了2.12 µm的连续波输出，功率突破100 W，斜率效率达45.6%（2.09 µm）。这一发现为简化中红外激光器设计（避免Ho³⁺掺杂的复杂泵浦架构）提供了新思路。
研究流程与方法
1. 实验装置与光纤特性
- 研究对象：Exail公司提供的Tm³⁺掺杂双包层光纤（TDF），纤芯直径20 µm，包层直径250 µm（八角形），793 nm泵浦吸收率8.42 dB/m。
- 实验设计：
- 自由振荡腔测试（无光纤布拉格光栅，FBG）：通过对称泵浦结构（双端泵，总功率580 W）测定光纤的自发辐射谱（ASE）和最大增益波长（图8）。
- FBG波长锁定：依次采用三种高反射率FBG（中心波长1.94 µm、2.09 µm、2.12 µm）构建单振荡器 monolithic 腔，输出耦合器为0°切割的被动光纤（反射率4%）。
2. 关键实验步骤
- 自由振荡波长分析（图9）：通过切割不同长度光纤（0.5–9 m），测量激光阈值波长，发现光纤长度与发射波长呈正相关（7 m以上趋近2.05 µm）。
- FBG波长锁定实验：
- 配置2（1.94 µm）：5 m光纤下输出功率185 W，斜率效率42.0%；
- 配置3（2.09 µm）：相同长度下功率193 W，效率达45.6%（超越斯托克斯极限37.9%），得益于高效的双光子交叉弛豫过程；
- 配置4（2.12 µm）：虽实现130 W输出，但功率波动明显，部分能量泄露至1.98 µm（寄生腔效应）。
- 光纤长度优化：缩短至3.6 m时，2.09 µm输出效率降至29.6%，证实长波长发射需更长的光纤匹配增益谱。
3. 数据分析
- 光谱分析（图11）：使用Yokogawa AQ6376光谱仪观测双峰结构（归因于偏振模耦合）；
- 功率稳定性测试：2.12 µm输出非线性增长，结合光谱功率密度比估算实际2.12 µm功率约100 W（效率24%）。
主要结果
- 波长扩展极限：首次验证纯Tm³⁺光纤可实现2.12 µm激光输出，但效率受限于寄生腔效应（需优化FBG设计与光纤长度）。
- 效率突破：2.09 µm斜率效率45.6%，超越传统理论预期，表明Tm³⁺在高浓度掺杂下仍具备长波长激发潜力。
- 光纤长度影响：5 m光纤为2.09 µm最佳长度，而2.12 µm需进一步增加长度或调整掺杂分布以抑制模式竞争。
结论与价值
- 科学价值：
- 挑战了“Tm³⁺发射波长限于2.05 µm”的传统认知，为镱铥共掺光纤的设计提供了新参数空间；
- 揭示了双光子交叉弛豫在长波长高效转换中的作用机制。
- 应用价值：
- 中红外光学参量振荡器（OPO）泵浦：2.1 µm波段可降低ZGP晶体的热负荷，提升非线性转换效率；
- 大气传输优化：2074–2220 nm波段（图13）比传统2.0–2.05 µm更具透射窗口优势，适用于激光雷达与遥感。
研究亮点
- 创新性发现：首次实现纯Tm³⁺光纤在2.1 µm以上的百瓦级连续输出；
- 方法创新：通过FBG波长锁定与自由振荡腔联用，精确解析增益谱与长度关系；
- 应用潜力：简化中红外激光架构，避免Ho³⁺共掺的复杂泵浦需求。
其他发现
- 偏振效应：PM-FBG的应力轴导致光谱双峰（图11a–b），建议后续研究采用全非保偏设计以提升稳定性；
- 寄生腔抑制：8°切割可部分消除高阶模泄露，但2.12 µm仍需改进FBG反射谱匹配度。
（全文共计约2000字）