在3-5μm中红外波段，存在着大气窗口与分子指纹区的双重重叠，使得该波段激光成为自由空间光通信、吸收光谱分析、痕量气体检测等关键领域的核心工具。长期以来，单频中红外光纤激光因器件缺乏、增益不足及热效应等问题，功率被限制在毫瓦至百毫瓦级别，难以满足高端应用对高功率、窄线宽光源的需求。
有鉴于此，天津大学团队最新研究首次实现了3.5μm光纤主振荡功率放大器（MOPA）的突破，基于氟化物光纤激光体系成功输出8.6 W单频激光，创下该波段单频光纤激光功率新纪录，为中红外激光技术的工业化应用打开了全新空间。相关研究成果以“Power Scaling of Single-Frequency Fiber Laser at 3.5 μm Mid-Infrared Region Toward Ten-Watt Level”为题发表于Laser & Photonics Reviews。
中红外激光的独特优势使其在多个战略领域具有不可替代的价值：在环境监测中，它能精准捕捉痕量污染物的分子特征；在自由空间通信中，大气窗口的低损耗特性可实现长距离高速传输；在精密光谱学中，窄线宽单频特性是实现高分辨率测量的前提。光纤激光器具有宽发射光谱、单模波导设计、柔性产生和传输以及高效散热等多方面的综合优势，但由于中红外光纤器件性能对于选频能力的限制，当前高功率中红外光纤激光器多工作在多纵模状态，线宽在GHz量级、相干性差；而单频激光功率仅百毫瓦。
为突破功率限制，团队聚焦于氟化物光纤的主振荡功率放大器架构，其无腔结构能够在保持单纵模稳定性的同时，实现高效功率放大，为中红外单频激光的功率拓展提供了理想解决方案。
一、MOPA系统布局优化：助力信号/泵浦高效耦合
针对空间分立系统中的激光耦合难题，团队对MOPA开展全局性优化，系统如图1所示。采用单模掺铒氟化物光纤激光体系结合标准具选频技术搭建单频种子源，并创新性地将信号光输出位置由谐振腔两端转移至腔内，有效解决了因透镜材料色散导致的种子光发散问题，其向放大级光纤中的耦合效率由不足10%提升至50%；进一步考虑双波长泵浦方式和耦合位置差异，将中红外种子光耦合置于包层泵浦端而独立出1990 nm纤芯泵浦，分别实现了95%的包层泵浦耦合效率及89%的纤芯泵浦耦合效率，为激光高效放大奠定基础。
图1 基于MOPA结构的单频3.5μm波段掺铒氟化物光纤激光器装置图。
二、构建完善理论模型：揭示中红外光纤MOPA设计准则
综合3.5 μm激光发射涉及的多跃迁过程及产热机制，建立完善的中红外光纤激光器速率方程模型；并首次在模型中引入自发辐射过程，赋予模型对光谱和增益竞争效应的计算能力。基于数值仿真揭示中红外光纤MOPA与常规振荡器在参数优化方面的显著差异，并凝练出3.5 μm波段光纤MOPA的通用设计方案：在泵浦方面，选择976 nm正向泵浦与1990 nm反向泵浦的组合，使泵浦能量在信号功率较高的光纤段被高效吸收，可有效避免增益饱和，提升泵浦向中红外激光转换效率；针对<0.2 W的低功率种子激光，选取>15 m的低掺杂光纤允许在低976 nm基态泵浦的条件下实现充分放大，并可将光纤热负载控制在2 W/m以下，避免氟化物光纤的热损伤。
图2 MOPA输出激光功率效率仿真模拟。（a）在泵浦方案I下，3470nm激光输出功率随种子光功率及增益光纤长度的变化关系；（b）不同增益光纤长度下，激光增益随1990nm泵浦功率的变化关系；（c）不同976nm泵浦功率下，激光增益随种子光功率的变化关系；（d）不同976nm泵浦功率下，1990nm泵浦光与3470nm信号光沿增益光纤的功率演化曲线；（e）1990nm泵浦功率固定为50W时，最优增益光纤长度及对应3470nm激光输出功率随976nm泵浦功率的变化关系；（f）不同泵浦方案下，3470nm激光输出功率随1990nm泵浦功率的变化关系。
图3 放大级中增益光纤热负载仿真模拟。（a-d）四种泵浦方案下，热负载沿增益光纤的分布情况；（e）采用泵浦方案III时，不同976nm泵浦功率下的热负载分布曲线；（f）峰值热负载随976nm泵浦功率的变化关系。
三、实验实现：中红外单频激光功率飞跃
基于耦合优化和仿真指导，开展单频激光放大实验研究。放大级中增益光纤为17 m长的1 mol%铒离子掺杂氟锆基玻璃光纤，并采用976 nm+1990 nm双波长泵浦，其中1990 nm泵浦由自制单模掺铥光纤激光器提供。中红外MOPA的输出特性测试结果见图4，在50 W的1990 nm泵浦下，3.5 μm单频激光输出功率达8.6 W，斜效率23.1%。光谱测试显示激光中心波长3470.4 nm，光信噪比25 dB，未观察到其他波段寄生振荡。单频特性通过扫描法布里-珀罗干涉仪验证，线宽测试受限于干涉仪分辨率；刀口法测试光束质量M²=1.04。
图4单频3.5μm光纤MOPA的输出特性测试。（a）输出功率；（b）种子光及最大输出功率时的激光光谱，插图为线性坐标下的精细光谱；（c）最大输出功率时的纵模特性；（d）窄频率范围内的精细纵模轮廓，插图：输出光斑。
