-
近年来，随着商用半导体泵浦源性能的不断提高以及Tm3+、Ho3+掺杂激光增益材料的日渐成熟，中红外2 μm波段超快激光得到了快速发展，有效支撑了其在聚合物材料加工[1]、多普勒激光雷达[2]、阿秒脉冲[3]、医疗[4]、长波光参量激光器泵浦源[5]等方面的应用需求。
稀土离子Tm3+、Ho3+掺杂增益材料是产生2 μm波段中红外激光的主要增益介质。Tm3+属于准三能级系统，吸收790 nm左右的泵浦光，实现电子从基态3H6到3H4的跃迁，通过3F4到3H6能级跃迁过程产生2 μm波段激光辐射。当Tm3+离子掺杂浓度超过4%左右时，由于3H4 →3F4与3H6 →3F4交叉驰豫过程在3F4能级产生两个激发态粒子，Tm3+离子激光系统的量子效率最高可达200%。正因如此，目前利用成熟的AlGaAs半导体激光直接泵浦Tm3+掺杂增益介质，2 μm波段激光斜效率已超过67%[6]。Ho3+ 离子5I7→5I8跃迁可产生2.1 μm激光输出，属于准二能级结构，但由于其在800 nm附近没有吸收带，泵浦方式主要有两种方案：一是Tm3+和Ho3+离子共掺，利用Tm3+离子3F4能级与Ho3+离子5I7能级接近的特点，由Tm3+离子吸收泵浦光能量后转移给Ho3+离子；二是采用1.9 μm波段激光带内泵浦，有效减少量子损耗，抑制激光上转换。目前，商用1.9 μm波段半导体激光器光纤耦合输出功率已达数十瓦至上百瓦，是Ho3+离子激光的理想泵浦源之一，但价格昂贵。近年来，快速发展的Tm3+离子掺杂光纤激光器因具有结构封闭、稳定性好、光束质量优异等优点，成为Ho3+离子激光泵浦源首选。此外，Tm3+离子掺杂晶体或透明陶瓷获得的1.9 μm固体激光也可作为Ho3+离子激光泵浦源，而且可通过腔外泵浦和腔内泵浦两种方式实现2.1 μm激光高效输出[7]。
锁模技术是实现皮秒、飞秒超快激光的主要技术手段。对于2 μm波段锁模激光器，1991年科研人员首次在Tm:YAG固体激光器中利用主动锁模技术实现了皮秒激光输出[8]。然而，主动锁模技术由于开关时间限制难以实现飞秒激光输出，而被动锁模技术可以产生更短的脉宽，同时使得腔型结构更加简单、激光效率更高，备受人们关注。目前，实现2 μm波段超快激光的被动锁模器件可分为两类，一是半导体可饱和吸收镜（SESAM）、低维纳米材料（Low-dimension Nanomaterials）等可饱和吸收体，二是基于非线性光学效应的类饱和吸收体，包括克尔透镜效应（Kerr-lens effect）、非线性偏振旋转（Nonlinear Polarization Rotation, NPR）、非线性光环形镜（Nonlinear Optical Loop Mirror, NOLM）和非线性多模干涉（Nonlinear Multimode Interference, NLMMI）等。
文中全面综述了Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光主动和被动锁模技术发展历程及进展情况，结合激光增益介质和色散管理技术回顾了2 μm波段固体和光纤锁模激光脉冲压缩技术发展过程，总结了2 μm波段大能量、高功率超快激光的实现路径，并对2 μm波段超快激光技术发展趋势进行了展望。
-
主动锁模激光技术通过腔内主动调制器产生的周期性损耗和相位位移实现激光调制，输出与外部触发信号同步的超快激光脉冲序列。受制于调制器开关时间，主动锁模激光脉冲宽度通常为几十至几百皮秒，难以产生飞秒量级超短脉冲激光，但可以获得较高的振荡激光功率。1991年，世界上首台2 μm波段主动锁模激光器诞生于美国海军实验室[8]，Pinto等利用钛宝石激光泵浦Tm:YAG晶体，基于声光调制器的调控实现了脉冲宽度35 ps的主动锁模激光输出。2003年，意大利光子学和纳米技术研究所Galzerano等利用Z型腔结构替代了美国海军实验室的直线型谐振腔，搭建了如图1所示的Tm3+、Ho3+共掺声光调制主动锁模固体激光器，获得了平均功率20 mW、脉冲宽度97 ps的超快激光输出[9]。此后，随着半导体激光技术的蓬勃发展，2 μm波段主动锁模激光器迅速发展。2011年，法国Saint-Louis研究所Philipp等利用二极管激光泵浦掺Tm3+双包层石英光纤，调制元件为声光调制器，在37.88 MHz重复频率下获得了脉冲宽度为38 ps的脉冲激光输出，平均输出功率达到11.8 W，脉冲能量315 nJ[10]。2014年，哈尔滨工业大学Yao等利用如图2所示的8镜折叠Z型腔中实现了声光主动锁模Ho:YAG激光器，锁模脉冲激光重复频率为82.76 MHz，单脉冲能量12.57 nJ，脉冲宽度为102 ps[11]。2015~2016年，哈尔滨工业大学Yao等先后实现了基于Ho:LuAG晶体[12]、Ho:LuVO4 晶体[13]、Ho:YAG 陶瓷[14] 等固体介质的声光调制主动锁模固体激光器，其中基于Ho:LuVO4晶体实现了最高功率3.04 W、重复频率82.7 MHz、脉冲宽度363.3 ps的超快激光输出。2018年，长春理工大学Ma等采用电光调制器取代声光调制器，利用长4 m的Tm3+、Ho3+共掺增益光纤实现了重频高达2.2 GHz、脉冲宽度约200 ps的超快激光输出，并通过可调谐窄带宽光滤波器实现了1907~1927 nm光谱范围内的波长调谐超快激光运转[15]。
表1列出了2 μm波段主动锁模激光器主要研究进展。从表中可以看出，2 μm波段主动锁模激光器平均功率已实现数瓦至十数瓦，但是脉冲宽度大部分集中在皮秒量级，难以产生飞秒脉冲激光。此外，主动锁模光纤激光器需要在光纤结构中加入空间调制器件，大大占用了空间体积，无法发挥光纤激光器体积小、结构紧凑的优势，因此在2 μm波段光纤激光器中主动锁模技术应用较少。
表 1 Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段主动锁模激光研究进展
Table 1. Development on the actively mode-locked Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition
rate/MHzPulse duration/
psWavelength/
nmOutput power Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAG 786.5 nm Ti:
sapphire laserAO 300 35 2 010 70 mW 0.23 1991 [8] Tm:YLF 793 nm LD AO 149.3 170 1 910 2.6 W 17.4 2015 [16] Fiber TDF 792 nm LD AO 37.88 38 1 978 11.8 W 314 2011 [10] TDF 792 nm LD AO 0.06 - - 5 W ~8000 2012 [17] TDF 1.57 μm laser EO 11.884/
12.099816/
4461 950 14.3 mW ~0.0012 2013 [18] TDF 1550 nm fiber laser EO 21.4 58 1 980 ~10 mW - 2014 [19] TDF LD AO 66 200 1 950-2130 53 W 800 2015 [20] TDF 1.55 μm laser EO 40000 1.29 2053 - - 2017 [21] Ho3+ Solid Ho:YLF 1940 nm Tm:
fiber laserAO 81.36 290 2 050 4 W 49 2013 [22] Ho:YAG 1.9 μm Tm:
YLF laserAO 82.76 102 2097 1.04 W 12.57 2015 [11] Ho:LuAG 1910 nm Tm:
fiber laserAO 82.48 333.4 2 010 2.7 W 32.7 2015 [12] Ho:YAG 1.9 μm Tm:
fiber laserAO 81.92 294 2 022 3.41 W 41.6 2016 [23] Ho:LuVO4 1940 nm Tm:
fiber laserAO 82.7 363.3 2073.8 3.04 W 36.8 2016 [13] Ho:YAG ceramic 1910 nm Tm:
fiber laserAO 82.15 241.5 2122.1 1.84 mW 0.022 2016 [14] Ho:Sc2SiO5 1940 nm Tm:
fiber laserAO 81.88 282.4 2112.1 2.72 W 33.2 2018 [24] Tm3+/
Ho3+Solid Tm,Ho:
BaYF780 nm LD AO 100 97 2066 20 mW 0.2 2003 [9] Fiber THDF 1570 nm LD EO 2200 200 1 907-1 927 - - 2018 [15] 注：TDF: Tm-doped fiber，Tm3+掺杂光纤；THDF: Tm-Ho co-doped fiber，Tm3+/ Ho3+共掺光纤 -
被动锁模激光器是利用可饱和吸收效应对谐振腔内的损耗进行调制实现超快激光输出的一类激光器，相比主动锁模激光器可以实现更短的脉冲激光输出，并且具有腔型结构更加简单、效率更高等优点。可饱和吸收效应的来源可以是半导体可饱和吸收镜、低维纳米材料等饱和吸收体，也可以是基于非线性光学效应的类饱和吸收体，包括克尔透镜效应、非线性偏振旋转、非线性光环形镜和非线性多模干涉等。
-
SESAM由于结构紧凑、可靠性高以及工作波长、非饱和吸收损耗、饱和恢复时间等参数可调，嵌入分布式布拉格反射层（Distributed Bragg Reflectors, DBRs）设计可实现几十到几百nm范围的高反射率，是产生高稳定性、高功率超快激光的理想锁模元件，在1 μm波段具有成熟而广泛的应用。1993年，德国莱特实验室Schepler 等首次利用基于GaAs衬底的InGaAs量子阱结构SESAM实现了基于Tm3+、Ho3+共掺晶体的被动锁模激光输出[25]。然而，与GaAs衬底晶格匹配的波长扩展型GaInAs量子阱材料最佳工作波长处于1 µm波段，而2 µm波段接近GaInAs量子阱的截止波长。应用于2 µm激光波段时，需要大幅提高In元素的比例，如锁模激光工作波长从1.0 μm~1.3 μm~2.0 μm，相应的SESAM量子阱材料InxGa1−xAs中 In 的组分x从0.25~0.38~0.53，势必引起晶格常数失配，接近临界状态，导致非饱和吸收损耗增大和抗损伤阈值降低。同时，这也将严重限制SESAM参数的设计自由度，并导致饱和恢复时间在十几到上百皮秒。为降低饱和恢复时间，通常需要借助低温生长、离子掺杂或注入等方法引入缺陷，不仅增加了生长制备难度，而且导致非饱和吸收损耗进一步增大。1996年，美国雷神公司Sharp等利用InP衬底的InGaAs量子阱结构SESAM，实现了脉宽190 fs的掺Tm3+光纤锁模激光输出，重复频率50 MHz，脉冲能量20 pJ[26]。然而，与InP晶格匹配的高折射率和宽反射带DBR半导体材料较少[27]从而在可饱和吸收层量子阱参数设计方面受到诸多限制。此后，极少见到InP衬底SESAM材料用于2 µm波段超快激光的报道。
锑化物历来是中红外波段激光器、探测器的首选材料，其中又以基于GaSb衬底的III-V族锑化物材料居多，首先是因为室温下GaSb的禁带宽度为726 meV，完全覆盖2~3 μm中红外波段，而且可以作为势垒材料。其次，与GaSb匹配的GaxIn1−xAsySb1−y、A1xGa1−xAsySb1−y半导体化合物的禁带宽度对应波长可以覆盖1.7~4.4 μm波段的光谱范围，而且AlSb、GaSb、InAs的晶格常数又非常接近，相互之间晶格失配很小，有利于制备高质量材料。因此，随着MBE等薄层外延生长技术的进步，基于GaSb衬底的GaxIn1−xAsySb1−y/A1xGa1−xAsySb1−y/GaSb量子阱/垒结构SESAM近年来逐渐成为产生2 μm波段超快激光的理想锁模元件。2009年，英国St. Andrews大学Lagatsky等以GaSb为衬底制备了InGaAsSb-SESAM，通过钛宝石激光泵浦Tm,Ho:KY(WO4)2晶体，实现了脉宽3.3 ps的2057 nm锁模脉冲激光输出[28]。该量子阱结构SESAM可以显著抑制载流子的俄歇复合效应，但饱和恢复时间却增加至100 ps以上，难以通过色散补偿等手段实现脉宽进一步压缩。2010年，该课题组提出了离子注入的方法来降低GaSb-SESAM饱和恢复时间，通过在SESAM中注入N+或者As+离子，有效减少了载流子复合时间，最终基于离子注入的GaSb-SESAM获得了脉宽191 fs的2 μm波段Tm,Ho:KY(WO4)2超短脉冲激光[29]。然而，离子注入等缺陷工程方法会降低SESAM反射率，增大非饱和吸收损耗，导致激光效率下降，而且对生长条件的要求苛刻，增加了制备难度。
窄禁带半导体GaSb具有强烈的俄歇复合效应，可有效增加快速无辐射损耗，从而导致载流子寿命降低。2012年，芬兰Tampere科技大学Guina等利用常规MBE外延生长技术，在不采用低温生长、离子注入等缺陷工程方法的情况下，制备出基于GaSb衬底的Ga0.71In0.29Sb/GaSb量子阱/垒结构SESAM，其快饱和恢复时间仅为0.5 ps，慢饱和恢复时间为10 ps左右，满足了产生飞秒超快激光的需求[30]。2013年，德国Konstanz大学Yang等利用Ga0.71In0.29Sb/GaSb量子阱SESAM，首次在全固态Tm,Ho:YAG激光中实现了2 μm波段超快激光运转，获得了21 ps的锁模脉冲，比GaInAs/GaAs-SESAM以及ISBTs量子阱半导体锁模获得的脉冲宽度压缩了2倍[31]。2020年，德国Max Born研究所Zhao等基于GaSb-SESAM实现了重复频率78 MHz、平均功率51 mW、脉冲宽度54 fs的超短脉冲激光输出，这也是目前SESAM锁模2 μm超快激光产生的最短脉冲宽度[32]。
上述半导体SESAM的饱和吸收特性来源于导带和价带之间的带间跃迁，其工作波长取决于半导体量子阱的能隙宽度，虽然可以通过调节半导体量子阱的成分和厚度控制其工作波长，但是改变的范围有限。此外，带间跃迁量子阱半导体饱和光强也不能随意调节。在量子阱结构中，量子阱导带沿着生长方向会离散成数个子带，当相应波长入射光的电场在沿量子阱生长方向上产生分量时，电子从基态激发到上能级，产生子带间跃迁（Intersubband Transitions, ISBTs）。由于各子带之间的相对位置可以通过改变量子阱的结构、阱宽、杂质的掺杂浓度及位置等参数来控制，而且子带间存在的大量非辐射声子参与各子带能级上电子的弛豫过程，从而使子带间跃迁具有驰豫时间快（典型的驰豫时间为1 ps左右）、跃迁波长可调等优点，在量子级联激光器、光电探测、全光开关等领域具有重要的应用。然而，要实现2 μm中红外波段（~0.6 eV）子带间跃迁，半导体量子阱和势垒的导带能级间隔需要大于1 eV，实际上只有少数半导体量子阱系统具有这么大的导带能级间隔。截止目前，人们已在GaAs/AlGaAs[33]、InGaAs/AlAs[34]、InGaAs/AlAsSb[35-36]等半导体量子阱系统中发现2 μm中红外波段子带间跃迁，利用fs激光泵浦探测技术测得子带间跃迁的典型弛豫时间在亚皮秒量级，而且该弛豫时间可以通过改变量子阱的宽度和杂质掺杂浓度进行调整。2008年，德国康斯坦茨大学Yang等首次利用基于InP衬底的InGaAs/AlAsSb子带间跃迁半导体量子阱实现了2 μm波段饱和吸收锁模固体激光运转，获得了脉宽60 ps的超快激光输出[37]，为2 μm波段超快激光发展提供了一种新的技术途径。表2总结了SESAM被动锁模2 μm超快激光研究进展。从表2可以看出，目前基于SESAM锁模的2 μm超快激光最短脉冲宽度为54 fs[32]，最高单脉冲能量可达4.75 nJ[37]。
表 2 基于SESAM Tm3+/ Ho3+ 掺杂2 μm波段锁模激光器研究进展
Table 2. Development on the SESAM mode-locked Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Waveleng-th/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:GPNG 792 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 222 410 1 997 84 0.38 2010 [39] Tm:KYW 801 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 105 386 2 030 235 2.24 2011 [40] Tm:Sc2O3 796 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 124.3 218 2107 325 2.6 2012 [41] Tm:Lu2O3 ceramic 796 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 121.2 180 2076 400 3.3 2012 [42] Tm:LuYSiO5 Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 100 19600 1944.3 64.5 0.645 2012 [43] Tm:YAG ceramic 785 nm Ti:sapphire laser InGaAs-SESAM 88.9 6300 2 012 125 1.4 2013 [44] Tm:LuAG 789 nm LD InGaAs-SESAM 129.2 38000 2 022 1210 9.37 2015 [45] Tm:CaYAlO4 790 nm LD SESAM 145.4 35300 1958.9 &
1960.6830 5.7 2015 [46] Tm:YAG ceramic 786 nm Ti:sapphire laser GaAs-SESAM 89 3000 2 012 150 1.68 2015 [47] Tm:LuAG ceramic 787 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 92 2700 2 022 232 2.52 2017 [48] Tm LuScO ceramic 795 nm Ti:sapphire laser GaAsSb-SESAM 78.9 63 2057 175 2.22 2018 [49] Tm:YLF 793 nm LD GaAs-SESAM 94 31000 1 909 95 1.01 2018 [50] Tm:LuYO3 ceramic 795 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 78 54 2040.5 51 0.65 2020 [32] Tm:YAG 790 nm LD GaAs-SESAM 97.7 47900 2 012 117 1.2 2020 [51] Tm:CaF2 792 nm LD SESAM 96.35 >1500 1886.8 132 1.37 2020 [52] Fiber TDF 783 nm Ti: sapphire laser InGaAs-SESAM 50 190 1 900 - 0.02 1996 [26] TDF 793 nm LD SESAM 39.8 815000 1978 150 3.8 2012 [53] TDF - SESAM 52.6 230 1 860-
1 930106 2 2012 [54] TDF 1550 nm fiber laser SESAM 108 712 1 945 70 0.65 2015 [55] TDF 1.59 μm Er,Yb:fiber laser SESAM 535 7900 1 938 50 0.09 2016 [56] TDF 793 nm LD SESAM 1600 7200 1959.7 4.5 0.003 2018 [57] Ho3+ Solid Ho:YLiF4 1 940 nm Tm: fiber laser InGaAsSb-SESAM 122 1100 2064 580 4.75 2011 [38] Ho:YAG ceramic 1908nm Tm:fiber laser GaSb-SESAM 82.1 2100 2064 230 2.8 2016 [58] Fiber HDF 1150 nm LD SESAM 7.8 2230 2094 28 3.7 2016 [59] Tm3+/Ho3+ Tm,Ho:KY(WO4)2 802 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 132 3300 2057 315 2.38 2009 [28] Solid Tm,Ho:TZN 792 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 143 630 2 012 38 0.27 2010 [39] Tm,Ho:KY(WO4)2 802 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 118 570 2055 130 1.1 2010 [60] Tm,Ho:NaY(WO4)2 795 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 144 191 2058 82 0.57 2010 [29] Tm,Ho:YAP 791 nm Ti:sapphire laser InGaAs-SESAM 107 40400 2064.5 132 1.23 2013 [61] Tm,Ho:YAG 726-859 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 106.9 21300 2091 63 0.59 2013 [31] Tm,Ho:KLu(WO4)2 802 nm Ti:sapphire laser InGaSb-SESAM 93 7200 2058 155 1.67 2015 [62] Tm,Ho:CaYAlO4 795 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 80.45 87 2024.6 27 0.34 2018 [63] Tm,Ho:CNGG - GaSb-SESAM 89.3 73 2061 36 0.4 2020 [64] Tm,Ho:LiLuF4 Ti:sapphire laser GaAs-SESAM 98.04 12000 1895 350 3.51 2020 [65] Fiber THDF - InGaSb -SESAM 50 750 1 972 20 0.4 2007 [66] THDF 799 nm LD InGaSb-SESAM 24.4 1100 2060 10 0.4 2011 [67] THDF 1.56 μm LD SESAM 38.75 600 1 980 15 0.4 2011 [68] 注：HDF: Ho-doped fiber，Ho3+掺杂光纤 SESAM虽然已实现2 μm波段亚百飞秒超短脉冲激光输出，但仍然存在工作波长受限、封装工艺复杂、制备成本高昂等缺点。近年来，伴随着低维纳米材料研究热潮的兴起，科研人员发现低维纳米材料不仅种类繁多、制作简单、成本低廉，而且具有吸收带宽、弛豫快速、参数可调等优点，广泛应用于光纤和固体激光中的饱和吸收被动锁模器件。目前，已经成功应用于Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段的低维纳米材料主要有碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs）、石墨烯（Graphene）、拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）、过渡金属硫化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）、黑磷（BP）等。
最早被用作可饱和吸收体的低维纳米材料是具有优异光学和电学特性的一维碳纳米管，其中单壁碳纳米管（Single Walled Carbon Nanotubes, SWCNTs）由于饱和阈值低、恢复时间短、化学稳定性高等优点，在2 μm波段被动锁模激光器中应用较多。2008年，俄罗斯科学院Solodyankin等人利用电弧放电法合成了SWCNTs，并用于Er3+离子1.57 μm光纤激光泵浦Tm3+光纤激光中，首次实现了脉宽1.32 ps的2 μm超快激光运转，平均输出功率为3.4 mW[69]。然而，碳纳米管存在损伤阈值较低问题，而且长时间工作会出现漂白现象。
石墨烯是一种蜂窝状晶格的单层碳原子薄片，具有零带隙、恢复时间超快、饱和通量低等优点，是一类理想的宽带可饱和吸收材料。2011年，山东师范大学Liu等首次利用石墨烯实现了2 μm波段Tm3+:YAP激光锁模运转，获得了平均功率268 mW、重复频率71.8 MHz、最大脉冲能量3.7 nJ的超快激光输出，脉宽约为10 ps[70]。2012年，北京工业大学Liu等利用石墨烯锁模2 μm波段Tm3+掺杂光纤激光，获得了重复频率3.17 MHz、脉冲能量0.56 nJ、脉宽3.6 ps的超快激光[71]。同年，上海交通大学Ma等利用石墨烯实现了Tm:CLNGG晶体锁模激光运转，通过CaF2棱镜对进行腔内色散补偿，获得了脉宽729 fs、重复频率98.7 MHz、平均功率60.2 mW的超快激光，证明了石墨烯具有实现2 μm波段飞秒脉冲的能力[72]。2015年，该课题组实现了石墨烯被动锁模Tm:YAG陶瓷超快激光运转，获得了平均功率158 mW、脉宽2.8 ps、重频98.7 MHz的超短脉冲激光[73]。2016年，韩国亚洲大学Jeong等利用石墨烯实现了Tm3+掺杂全光纤孤子锁模激光运转，产生了脉冲宽度773 fs、重复频率19.31 MHz、最大输出功率115 mW、脉冲能量6 nJ的超快激光输出[74]。
TIs是一类不同于普通绝缘体的材料，其内部绝缘，而表面因狄拉克型电子态具有良好的导电特性，并展现出独特的量子特性，其中由泡利阻塞效应引起的饱和吸收效应呈现出恢复时间快、调制深度高等特点。此外，TIs同时具有窄带隙体结构(0.2 ~0.3 eV)和零带隙表面态结构，因此具有超宽带的可饱和吸收特性。2014年，韩国首尔大学Jung等通过在Tm3+、Ho3+共掺光纤端面上沉积一层由机械剥离方法制备的Bi2Te3，首次实现了TIs饱和吸收体在2 μm波段超快激光中的应用，获得了脉宽795 fs的超短脉冲激光输出[75]。2016年，波兰弗罗茨瓦夫技术大学Tarka等基于Sb2Te3锁模实现了Tm3+掺杂超快光纤激光运转，脉冲宽度为890 fs，单脉冲能量为30 pJ[76]。然而，TIs抗光损伤阈值不高，而且电子弛豫速率较低，对饱和恢复时间造成不利影响，从而限制了其在2 μm波段锁模激光中的应用。
以MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等为代表的TMDs具有很强的三阶非线性光学特性，可用于2 μm波段超快可饱和吸收体。2015年，上海交通大学Tian等利用液相剥离方法获得了多层MoS2，并将其沉积在金镜上制备了可饱和吸收体，首次实现了Tm3+掺杂光纤锁模激光运转，获得了单脉冲能量15.5 nJ、脉宽843 ps的2 μm波段超快激光输出[77]。然而，截止目前基于TMDs材料实现的Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段固体和光纤锁模激光脉宽绝大多数都在皮秒量级，可能是由于TMDs饱和吸收体本身较大的非线性饱和吸收损耗所致。
黑磷的结构与石墨烯类似，层间通过微弱的范德瓦尔斯力结合，其带隙可以从0.3 eV扩展到2 eV。2015年，波兰弗罗茨瓦夫理工大学Sotor等利用黑磷作为可饱和吸收体，在掺Tm3+光纤激光器中实现了中心波长1910 nm、脉冲宽度739 fs的超快激光输出[78]，证实了黑磷在中红外波段的饱和吸收特性。然而，尽管黑磷是磷同素异形体中最稳定的一种，但在空气中易发生氧化，遇水会发生较强的反应，造成制备难度较高、使用寿命较短等问题，限制了其应用。
表3总结了基于低维纳米材料可饱和吸收体锁模的Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光主要进展情况。从表中可以看出，适用于2 μm波段的低维纳米材料可饱和吸收体种类丰富，目前基于低维纳米材料锁模的2 μm超快激光脉冲宽度可达飞秒量级，然而其损伤阈值较低，且插入损耗较大，致使超快激光输出功率普遍在毫瓦量级，严重制约了超快激光功率和能量。
表 3 基于低维纳米材料可饱和吸收体锁模的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光研究进展
Table 3. Development on the ultrafast Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers based on the low-dimension nanomaterial saturable absorber mode-locking
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Wavelength/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAP 795 nm LD Graphene 71.8 ~10000 2 023 268 3.7 2011 [70] Tm:YLF Ti:sapphire laser SWCNT - 19000 1 888 55 - 2011 [79] Tm:Lu2O3 798 nm Ti:sapphire laser SWCNT 88 175 2070 36 0.41 2012 [80] Tm:KLuW 802 nm Ti:sapphire laser SWCNT 88 141 2 037 26 0.3 2012 [81] Tm:CLNGG 790 nm LD Graphene 98.7 729 2 018 60.2 0.61 2012 [72] Tm:YAP 800 nm Ti:sapphire laser Graphene 71.8 10000 2 023 268 3.7 2012 [82] Tm:Lu2O3 796 nm Ti:sapphire laser Graphene 110 410 2067 270 0.13 2013 [83] Tm:YAG ceramic 790 nm LD Graphene 98.7 2800 2 016 158 0.08 2015 [73] Tm:MgWO4 796 nm Ti:sapphire laser Graphene 87 86 2 017 96 1.1 2017 [84] Tm:CNNGG 785 nm Ti:sapphire laser SWCNT 90 84 2 018 22 0.24 2018 [85] Tm:CLNGG 785 nm Ti:sapphire laser SWCNT 86 78 2 017 54 0.63 2018 [86] Tm:LuYO3 795 nm Ti:sapphire laser SWCNT 72.6 57 2 045 63 0.87 2019 [87] Tm:YAG 792 nm LD MoS2 232.2 280000 2 011 & 2 017 200 0.86 2020 [88] Fiber TDF 1.57 μm Er fiber laser SWCNT 37 1320 1 930 3.4 0.09 2008 [69] TDF 1.57 μm Er fiber laser SWCNT 45 750 1 885 25 0.5 2009 [89] TDF 790 nm LD Graphene 3.17 - 2 007 1.8 0.56 2012 [71] TDF - Graphene 6.46 3600 1 940 2 0.4 2012 [90] TDF Er fiber laser Graphene 506 58 - - 1 2012 [91] TDF 1.56 μm Er fiber laser SWCNT 6.71 2300 1 947 3 0.45 2013 [92] TDF 1.57 μm Er,Yb:fiber laser Graphene 20.5 1200 1 884 1.35 0.06 2013 [93] Tm3+ Fiber TDF 1.55 μm Er fiber laser Graphene 16.93 2100 1953.3 1.41 0.08 2013 [94] TDF 1.55 μm Er,Yb:fiber laser MoS2 9.67 843000 1 905 150 15.5 2015 [77] TDF 1568 nm LD BP 36.8 739 1 910 1.5 0.0407 2015 [78] TDF 1.57 μm Er fiber laser CNT 25.76 152 1 972 4.85 0.19 2016 [95] TDF 1.56 μm Er fiber laser Graphene 19.31 773 1 910 115 6 2016 [74] TDF 1.56 μm LD TIs-Sb2Te3 39.5 890 1 945 1.2 0.03 2016 [76] TDF 1.56 μm Er,Yb:fiber laser Graphene 58.87 205 1 945 13 0.22 2017 [96] TDF 1.55 μm LD WTe2 18.72 1250 1915.5 39.9 2.13 2017 [97] TDF 1.55 μm LD MoTe2 15.37 1300 1934.85 212 13.8 2018 [98] TDF 1.55 μm LD SWCNT 21.4 211 - 36 1.68 2019 [99] TDF 1.55 μm LD CNT - 910-6430 1733-2 033 - - 2019 [100] Ho3+ Fiber HDF 1 940 nm Tm fiber laser BP 29.1 1300 2094 11 0.379 2017 [101] HDF 1 940 nm Tm fiber laser Graphene 21.13 190 2060 54 2.55 2018 [102] HDF Tm fiber laser CNT 22.13 212 2080 84 3.79 2019 [103] Tm3+/ Ho3+ Solid Tm, Ho:KLu(WO4)2 802 nm Ti:sapphire laser SWCNT 91 2800 2060 97 1.07 2014 [104] Tm,Ho:CNGG 786 nm Ti:sapphire laser SWCNT 102 76 2081 67 0.66 2018 [105] Tm,Ho:CLNGG 796 nm Ti:sapphire laser SWCNT 99.28 67 2083 - - 2019 [106] Fiber THDF 1.55 μm LD TIs-Bi2Te3 27.9 795 1 935 1 - 2014 [75] THDF 1570 nm fiber laser TIs-Bi2Te3 21.5 1260 1909.5 - - 2015 [107] THDF 1.55 μm LD WS2 34.8 1300 1 941 0.6 0.017 2015 [108] THDF 1566 nm LD VSe2 11.6 1400 1 912 - - 2021 [109] -
类饱和吸收体是指能够诱导出类似可饱和吸收效应的非线性光学过程。固体激光器中的类饱和吸收体主要基于克尔透镜效应，是由非线性折射率变化引起的谐振腔内自聚焦效应，无需其他元件可实现自锁模。2017年，德国Max-Planck量子光学研究所Zhang等实现了基于Ho:YAG薄片增益介质的克尔透镜锁模激光运转，实验装置如图3所示，获得了脉冲宽度270 fs、平均输出功率28 W、单脉冲能量0.36 μJ的超快激光脉冲[110]。同年，土耳其Koç大学Canbaz等利用780 nm钛宝石激光泵浦Tm:YLF晶体，实现了脉冲宽度514 fs、重复频率41.5 MHz、平均输出功率14.4 mW的克尔透镜锁模激光输出[111]。2018年，天津工业大学Zhang等实现了Tm:YAP自锁模激光运转，利用两镜直线型谐振腔获得了重复频率468 MHz的脉冲激光，最大平均输出功率为1.65 W，中心波长为1943 nm，脉宽为~621 ps[112]。2020年，日本电子通信大学Suzuki等实现了Tm:Sc2O3晶体克尔透镜锁模激光运转，利用如图4所示的四镜Z型腔结构，通过色散补偿，获得了平均功率130 mW、脉冲宽度72 fs的2108 nm超短脉冲激光输出，展示了克尔透镜锁模技术产生中红外2 μm波段超短脉冲激光的能力[113]。2021年，该课题组在同一谐振腔内同时利用Tm:Lu2O3和Tm:Sc2O3单晶，获得了1850~2200 nm的宽带增益光谱，通过腔内色散补偿和腔外脉冲压缩实现了41 fs的超短脉冲激光输出，平均功率为42 mW[114]。然而，与其他波段固体激光介质类似，Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段克尔透镜锁模激光器也存在难以自启动的问题，通常需要谐振腔处于介稳状态并通过外部扰动来触发，增大了谐振腔设计难度。
与晶体和陶瓷固体介质不同，光纤介质中存在丰富的非线性效应，可用于实现类饱和吸收锁模。其中，NPR是光纤中最为常用的类饱和吸收效应，早在1995年美国麻省理工学院Nelson等已实现小于500 fs的2 μm波段超快激光输出[115]。尽管NPR饱和恢复时间仅有约几飞秒，可以实现稳定的飞秒脉冲激光输出，但是光纤介质内光的偏振旋转极易受到外界环境以及光纤本身状态的影响，这就导致了NPR锁模光纤激光器具有环境稳定性差的缺点。此外，NPR通常与SAM配合使用，以实现有效自启动。2017年，德国电子加速器Li等利用NPR和SAM相结合，实现了Ho3+掺杂锁模光纤激光自启动运转，获得了脉宽920 fs的超短脉冲激光输出，同时发现SAM可以将锁模激光运转阈值降低约20%[116]。
NLMMI利用了单模光纤-多模光纤-单模光纤相互耦合时产生的非线性模式损耗调制。2017年，中国计量大学Li等首次利用NLMMI锁模技术实现了1570 nm光纤激光泵浦Tm3+离子掺杂光纤介质的2 μm波段超快激光运转，实验中SMF-SIMF-GIMF-SMF结构处于弯曲状态，当泵浦功率达180 mW时，激光器工作在稳定的锁模状态，实现了脉冲宽度1.4 ps、光谱宽度3.6 nm、重复频率19.82 MHz的1888 nm超快激光输出[117]。然而，NLMMI锁模激光结构复杂、调节困难，环境稳定性较差。
NOLM主要是基于Sagnac干涉环原理产生非线性相移差实现激光锁模。如果与强度有关的非线性相移差来源于增益光纤放大环路，则称为非线性光放大镜（Nonlinear Amplifier Loop Mirror, NALM），如果非线性相移差来自于增益光纤的吸收则为非线性光吸收镜（Nonlinear Absorber Loop Mirror, NAbLM）。与NPR锁模技术相比，NOLM锁模技术更容易实现全光纤化。2020年，马来西亚马来亚大学Ahmad等报道了一种全光纤类噪声双包层掺铥光纤锁模激光器，基于NOLM技术实现了脉宽384 fs、光谱带宽14.8 nm、脉冲能量252.6 nJ的超快激光输出[118]。
表4总结了基于类饱和吸收体锁模的Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光研究进展。从表4可以看出，基于克尔透镜锁模的固体激光可实现迄今2 μm波段超快激光的最窄脉冲宽度41 fs[114]，而凭借优异的大比表面积散热特性，Ho3+掺杂克尔透镜锁模薄片激光和Tm3+掺杂NALM锁模光纤激光分别已实现28 W/270 fs、32.8 W/317 fs的大功率、窄脉宽超快激光输出，为获得高性能2 μm波段超快激光提供了有效的技术途径。
表 4 基于类饱和吸收体锁模的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光研究进展
Table 4. Development on the mode-locked Tm3+/Ho3+ doped ultrafast 2 μm lasers based on artificial SA nonlinear optical effects
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Artificial SA Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Wavelength/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YLF 780 nm Ti:sapphire laser Kerr-lens 41.5 514 2303 14.4 0.35 2017 [111] Tm:Sc2O3 1.59 μm Er,Yb:fiber laser Kerr-lens 93.8 72 2108 130 1.38 2020 [113] Tm:Lu2O3 &
Tm:Sc2O31611 nm Er:Yb MOPA Kerr-lens 93.3 41 2094 42 0.45 2021 [114] Ho3+ Solid Ho:YAG TD 1.908 µm TDFL Kerr-lens 77 270 2090 28000 363 2017 [110] Tm3+ Fiber TDF 783 nm Ti:sapphire laser NPR - 350-500 1798-1 902 0.24 13.74 1995 [115] TDF 793 nm LD NPR 41.4 173 1 974 167 4 2008 [119] TDF 793 nm LD NPR 41.4 1200 1 976 178 4.3 2008 [120] TDF 1.5 μm Er fiber laser NPR 9.78 770 1 982 1.5 0.15 2011 [121] TDF 1575 nm laser NPR & SAM 19.7 482 1 927 13.2 0.67 2012 [122] TDF 1575 nm Er fiber laser NPR 45.42 119 1 912 7.8 0.17 2012 [123] TDF 1561 nm Er fiber laser NPR 6.37 - 1942.2 110 17.3 2013 [124] TDF 1550 nm Er fiber laser NPR & SAM 22.9 200 1 950 16 0.7 2014 [125] TDF 793 nm LD NPR 1.902 2200 1992.7 0.142 0.0746 2014 [126] TDF 793 nm Ti:sapphire laser NPR 67.5 45 1 880 13 0.19 2014 [127] TDF 793 nm LD NPR 2.68 3100 1 862 3 1.12 2015 [128] TDF 1569 nm Er fiber laser NPR 20-30 130 - - 7.6 2015 [129] TDF 793 nm LD NPR 6.32 406 2003.2 - 12.342 2016 [130] TDF 1550 nm Er fiber laser NPR 11.6 350 1 890 90 7.8 2017 [131] TDF - NPR - 142.8 1 950 370 31 2018 [132] TDF 1610 nm EYDFL NPR 10.62 534 1 988 189 17.8 2019 [133] Ho3+ Fiber HDF 1 950 nm Tm fiber laser NPR & SAM 65 920 2 040-2070 - 0.8 2017 [116] HDF 1 950 nm fiber laser NPR 13.2 370000 2133 68.6 5.2 2018 [134] Tm3+ Fiber TDF 1570 nm fiber laser NLMMI 19.82 1400 1 888 - - 2017 [117] Tm3+ Fiber TDF 786 nm laser NALM 4.75 682 - 41 8.75 2012 [135] TDF 786 nm LD NALM 10.4 1500 2 034 0.66 0.063 2013 [136] TDF 793 nm LD NOLM 1.514 341 2 017 377.3 249.32 2014 [137] TDF 793 nm LD NALM 9.1 460 1 990 301 32.72 2015 [138] TDF 793 nm LD NPR & NOLM 2.66 258 2 007 112 42.11 2017 [139] TDF 793 nm LD NOLM 2.85 384 1988.8 720 252.6 2020 [118] TDF 1550 nm Er fiber laser NALM 3.228 317 1946.4 32800 10100 2021 [140] Ho3+ Fiber HDF 1.9 μm TDFL NAbLM 7.765 - 2058 - - 2020 [141] HDF Tm laser NALM 41.7 - 2 050 4 0.095 2020 [142] 注：SA: Saturable absorber，可饱和吸收体；TD: Thin disk，薄片；MOPA: Master oscillator power-amplifier，主振荡功率放大；TDFL: Tm-doped fiber laser，Tm3+掺杂光纤激光器；EYDFL: Er-Yb co-doped fiber laser，Er3+/Yb3+离子共掺光纤激光器 -
自1995年Tm3+/Ho3+锁模激光首次实现飞秒激光运转以来，2 μm波段超快激光脉宽得到不断压缩。2012年，Tm3+/Ho3+掺杂2 μm超快激光脉宽实现了从百飞秒[69, 109]到亚百飞秒[58]的突破，标志着2 μm超快激光进入亚百飞秒阶段。
对于直接振荡产生的飞秒超快激光，谐振腔内宽带增益和色散补偿是重要的影响因素。在2 μm波段固体激光振荡器中，宽荧光发射谱增益介质，例如石榴石晶体（CNGG、CNNGG、CLNGG）、铝酸盐晶体（CaYAlO4）、倍半氧化物晶体（Sc2O3）、钨酸盐晶体（MgWO4）、激光陶瓷（Tm:LuScO、Tm:LuYO3）等都具有产生亚百飞秒激光的潜力。此外，棱镜对、光栅对、啁啾镜等是提供腔内负色散补偿的常用光学元件。2012年，德国Max Born研究所Schmidt等利用棱镜对将Tm:KLuW锁模激光脉宽压缩至141 fs[81]，但由于棱镜对本身会引入高阶色散，限制了脉宽的进一步压缩，所以难以产生百飞秒以下的超短脉冲。2017年，德国Max Born研究所Wang等基于石墨烯可饱和吸收体锁模技术，实现了Tm:MgWO4超快激光运转，首次获得了亚百飞秒超短脉冲激光输出[84]。在该研究中，Tm:MgWO4晶体增益截面如图5(a)所示，呈现出宽阔平滑的特点，实验采用了如图5(b)所示的X型谐振腔结构，并利用啁啾镜取代棱镜对进行腔内色散补偿，最终获得了近傅里叶变换极限的86 fs超短脉冲输出。2017至2019年间，德国Max Born研究所相继实现了SWCNT锁模Tm:CLNGG超快激光（78 fs）[86]、SWCNT锁模Tm:CNNGG超快激光（84 fs）[85]、SESAM锁模Tm,Ho:CaYAlO4超快激光（87 fs）[63]、SWCNTs锁模Tm,Ho:CNGG超快激光（76 fs）[105]、SWCNTs锁模Tm,Ho:CLNGG超快激光（67 fs）[106]、SWCNTs锁模Tm:LuYO3陶瓷超快激光（57 fs）[87]。2020年，该团队利用SESAM锁模Tm:LuYO3陶瓷激光获得了54 fs超短脉冲激光输出，这也是目前基于SESAM产生的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段最短锁模激光脉冲。
为了消除残余脉冲啁啾，获得更短的激光脉冲，腔外压缩是一种有效手段。2018年，德国Max Born研究所Wang等利用ZnS多晶板对Tm:LuScO超快激光脉冲进行了腔外压缩，如图6所示。通过利用啁啾镜进行腔内色散补偿，当输出镜透过率为0.2%时，首先获得了脉冲宽度74 fs、时间带宽积为0.375的2 μm波段超短脉冲激光输出，随后在输出镜后放置一个3 mm厚的ZnS片将脉冲进一步压缩至63 fs[49]。此外，基于ZnS片进行腔外脉冲压缩的还有SWCNTs锁模Tm,Ho:CNGG超快激光（76 fs）[105]、SWCNTs锁模Tm,Ho:CLNGG超快激光（67 fs）[106]、SWCNTs锁模Tm:LuYO3陶瓷超快激光（57 fs）[87]、SESAM锁模Tm:LuYO3陶瓷超快激光（54 fs）[32]。2021年，日本电子通信大学Suzuki等利用ZnSe片进行腔外色散补偿，最终获得的2 μm波段超快激光脉冲宽度为41 fs，这是目前Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段激光产生的最短脉冲宽度[114]。
在Tm3+/ Ho3+掺杂超快光纤激光方面，1995年美国麻省理工学院Nelson等基于波片和双折射滤波器NPR锁模技术首次实现了Tm3+掺杂光纤飞秒激光器，在没有补偿色散的情况下，获得了脉宽350-500 fs的脉冲激光输出[115]。2008年，德国汉诺威激光中心Engelbrecht等同时利用光栅对和棱镜对控制腔内色散，最终实现了294 fs超短脉冲激光输出[120]，然而光栅对的使用破坏了全光纤结构。2016年，深圳大学Wang等利用正常色散光纤补偿腔内增益光纤等元件产生的负色散，并基于CNTs锁模实现了脉冲宽度为152 fs的超短脉冲激光输出[95]。引入正常色散光纤是实现Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段有效色散管理的一种简单方法，可以保持全光纤结构，解决光栅对带来的问题，但是当功率过高时，光纤的非线性效应会使脉冲展宽、变形乃至畸变、分裂。
2014年，日本分子科学研究所Nomura等利用色散系数小的Tm3+掺杂ZBLAN光纤实现了2 μm超快激光运转，如图7所示。采用的ZBLAN光纤数值孔径大、芯径小，有效补偿了谐振腔内的负色散，并同步利用Martinez展宽器控制腔内色散，获得了光谱宽度达300 nm的超快激光输出。通过在腔外放置SF10棱镜对实现了脉冲宽度的进一步压缩，获得了最短脉冲宽度45 fs[127]。
-
受制于光纤非线性效应或固体激光增益，目前直接振荡产生的2 μm超快激光脉冲能量较低。例如，基于主动锁模技术的Tm3+/ Ho3+掺杂光纤超快激光最高脉冲能量为0.8 μJ，相应的输出功率为53 W[20]；基于NOLM锁模技术的2 μm超快光纤激光最高单脉冲能量为10.1 μJ[140]。对于2 μm固体激光振荡器，基于克尔透镜锁模技术的Ho:YAG薄片超快激光已实现平均功率28 W、脉冲宽度270 fs的超短脉冲激光输出，然而最高脉冲能量仅为363 nJ[110]，这已是目前Tm3+/ Ho3+掺杂固体锁模激光器直接振荡产生的最高脉冲能量。为进一步提高Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光脉冲能量，需要采用放大技术。
再生放大器（Regenerative Amplifiers, RA）采用种子光多次通过增益介质的方式实现较大的增益倍数，可有效提高Tm3+/ Ho3+掺杂介质的能量提取效率，并维持种子光的光束质量，成为当前2 μm波段超快激光放大的常用方式。2013年，奥地利光子学研究所Malevich等首次实现了Ho:YAG飞秒激光再生放大，结构如图8所示。种子源激光由基于I型BBO和II型KTA晶体的光学参量放大获得，脉冲宽度为180 fs，脉冲能量约为0.7 μJ，光谱宽度为40 nm。种子激光经啁啾脉冲放大（Chirped Pulse Amplification, CPA）部分的脉冲展宽器展宽进入Ho:YAG再生放大器，最后由压缩器压缩输出，获得了超快激光脉冲能量为3 mJ，脉冲宽度440 fs，重复频率5 kHz[143]。2015年，德国自由电子激光科学中心Kroetz等实现了Ho:YLF超快激光再生放大，通过降低重复频率、控制晶体温度，使激光晶体工作在增益饱和状态，克服了脉冲分叉不稳定性，实现了脉冲分裂现象的完全抑制，在1 kHz重复频率下获得了单脉冲能量6.9 mJ、脉冲宽度1.9 ps[144]。
进一步地将再生放大技术与其他放大技术结合，可以产生更高的脉冲能量。2015年，德国Max Born研究所Grafenstein等基于如图9(a)所示的实验装置，采用Ho:YLF再生放大和单通放大技术实现了1 kHz重频的34 mJ皮秒脉冲激光输出，激光能量稳定性RMS低于0.9%，结果如图9(b)所示[145]。
以上介绍的Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光放大器都采用了CPA技术，虽然获得了大能量的激光输出，但光光转换效率不高。2018年，德国汉诺威激光中心Hinkelmann等提出了直接放大方式的Ho:YLF多通放大器（Multipass Amplifier, MPA），结构如图10 所示，包括种子源、声光调制器和多程放大系统。种子源为Ho3+掺杂光纤激光器，脉冲宽度为5 ps。多通放大器采用长度为20 mm的1.5 at.%掺杂Ho:YLF晶体，并利用TEC（Thermoelectric Cooler，半导体制冷器）冷却，最终实现了重复频率10 kHz、脉冲能量100 μJ大能量超快激光输出[146]。
2020年，德国Max Born研究所Grafenstein等实现了脉冲宽度2.4 ps、脉冲能量52.5 mJ、峰值功率17 GW的大能量2 μm波段超快激光输出[147]，脉冲间RMS只有0.23%，表现出优异的稳定性能。种子光通过高增益的环形腔再生放大器发射出脉冲能量为12 mJ的激光，通过两个功率放大级进一步提高脉冲能量，最终达到52.5 mJ，为了防止激光吸收水蒸气，再生放大器和功率放大级都封装在充满氮气的密封装置中。在实验中，Grafenstein等人增加了铥掺杂光纤预放大装置，减少了种子脉冲的非线性相位，降低了B积分，克服了高增益、高效率激光放大系统中的一个技术难点。
表5总结了Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光放大技术的研究进展情况。Ho3+掺杂激光介质由于发射波长超过2 μm，对大气中水蒸气的吸收更少，易在空气中传输，降低了激光器稳定运转要求，简化了激光器设计，而且具有支持超短脉冲产生的宽带发射光谱，加上量子亏损小、上能级寿命长，因此在大能量2 μm波段超快激光放大器中应用居多。其中，Ho3+离子掺杂YLF和YAG晶体更加适合大能量超短脉冲激光放大，例如Ho:YLF晶体已实现最大脉冲能量52.5 mJ的皮秒激光放大。此外，在大能量固体激光放大器中，增益介质的热管理是限制功率和能量提升的技术难点之一，除了基质材料本身热导率高有益于放大器能量和功率提升外，对增益介质的高效制冷也必不可少。从表5中可以看出，目前Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光放大器主要采用水冷、TEC、液氮冷却等方式，均能实现十数到数十mJ的脉冲能量放大，但是脉冲宽度大都在ps量级，而且重复频率也不尽相同，其中采用液氮冷却可以实现100 kHz/39 mJ的高重频、大能量2 μm波段皮秒激光放大。
表 5 Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光放大技术研究进展
Table 5. Development of Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm ultrafast laser amplification techniques
Doped ions Material type Gain materials Repetition rate/kHz Pulse duration/ps Pulse energy/mJ Cooling type Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAP 1 0.38 0.7 - 2015 [148] Tm:YAP 1 0.36 0.015 TEC 2018 [149] Ho3+ Solid Ho:YAG 5 0.44 3 Water cooling 2013 [143] Ho:YLF 10 300 11 TEC 2013 [150] Ho:YLF 10 50 1.1 Water cooling 2015 [151] Ho:YLF 1/0.01 1.9 6.9/13 TEC 2015 [144] Ho:YLF 100 10 39 Liquid nitrogen 2015 [152] Ho:YLF 1 37 34 Water cooling 2015 [145] Ho:YLF 0.7 - 16 Water cooling 2016 [153] Ho:YLF 10/500 8.3/5.5 0.145/0.0112 TEC 2018 [146] Ho:YLF 10 6.3 0.1 TEC 2018 [154] Ho:YLF 1 2.4 52.5 Water cooling 2020 [147] Ho:YLF 1 6.8 28 Water cooling 2020 [155] Ho:YAG 10 3.2 1.6 - 2021 [156] -
文中全面综述了Tm3+/Ho3+掺杂2 μm波段超快激光的发展历程和研究现状，介绍了主动和被动两种锁模技术的实现方式，总结了主要的2 μm波段中红外激光锁模技术。从目前的进展来看，直接振荡产生的Tm3+/Ho3+掺杂主动锁模激光器输出功率普遍高于被动锁模技术，最高功率可达十数瓦级，而被动锁模激光器更容易实现窄脉宽的锁模脉冲激光输出。其次，文中还对Tm3+/ Ho3+ 掺杂2 μm波段超快激光脉冲压缩技术进行了总结，通过谐振腔内和腔外的色散补偿，目前Tm3+/ Ho3+掺杂固体和光纤激光器都已实现亚百飞秒的超短脉冲激光输出。此外，针对直接振荡产生的2 μm波段超快激光脉冲能量低下问题，文中回顾了Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm 波段大能量超快激光的研究进展，基于再生放大和功率放大技术相结合的方式，2 μm波段超快激光已实现数十毫焦的脉冲能量输出。从目前发展情况来看，随着Tm3+/ Ho3+掺杂激光材料、增益器件、锁模技术及放大技术的不断发展，2 μm波段超快激光正朝着更短脉宽、更高功率和更大能量的方向发展，未来有望实现少周期、百毫焦、千瓦级中红外超强超快激光输出，缩短其与近红外1 μm波段超短脉冲激光的差距。
在锁模技术方面，InP、GaAs及GaSb基SESAM已经成为固体和光纤激光器被动锁模元件的首选，但目前除GaAs基SESAM已实现商业化生产外，其他类型SESAM仍处于实验室研究阶段，需要进一步克服光学损伤阈值低、非线性饱和吸收损耗高、工作带宽窄、光学均一性差等瓶颈问题，发展更长工作波长、更快弛豫时间等特性的新型锁模器件；低维纳米材料可饱和吸收体需要突破大尺寸高质量制备、缺陷精确控制、损伤阈值提升等关键问题，发展实用性强、使用寿命长、可重复性高的中红外波段低维纳米材料锁模器件；基于光纤激光介质自身的NPR、NLMMI、NOLM等非线性效应，容易实现Tm3+/Ho3+掺杂光纤超快激光输出，但需要进一步提高其稳定性，并控制光谱线型，为高功率、大能量2 μm波段超快激光放大提供高稳定性种子源；克尔透镜锁模机制具有响应速度快、工作带宽宽等优点，成为获得少周期超短脉冲激光的有效途径，将克尔透镜锁模和色散补偿技术相结合，有望实现脉宽更短的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm 波段超快激光，但需要发展新型宽带增益固体介质或光谱展宽技术。最近，日本电子通信大学Suzuki等利用组合式增益介质（Tm:Lu2O3陶瓷和Tm:Sc2O3单晶），实现了增益光谱的有效展宽，基于克尔透镜锁模技术和色散补偿技术获得了5.9个光学周期的2 μm 波段超短脉冲激光输出，为2 μm 波段少周期超短脉冲激光提供了新的技术途径。
在大能量超快激光放大技术方面，具有大比表面积、高热损伤阈值的单晶薄片、单晶光纤和大芯径棒状增益光纤等新型增益器件能有效解决放大过程中热管理的问题，通过结合高效的低温冷却方式，提高增益介质的散热效率，有望成为实现百毫焦、千瓦级2 μm波段超快激光的潜在技术路径。此外，借鉴近红外波段相干脉冲堆积技术和相干合束等放大技术，利用Tm3+/ Ho3+光纤放大技术有望实现高功率、高光束质量、高稳定性的2 μm波段超快脉冲激光输出。因此，通过探索新型Tm3+/ Ho3+ 掺杂增益器件和高效热管理手段，充分利用固体与光纤放大的技术优势，终将推动2 μm波段超强超快激光的进一步发展。
Research development on Tm3+/ Ho3+ ions doped mid-infrared ultrafast lasers (Invited)
-
摘要: 稀土离子Tm3+/ Ho3+ 掺杂中红外2 μm波段超快激光由于广泛的应用前景成为近十余年来激光领域的研究热点之一。文中首先综述了稀土离子Tm3+/Ho3+掺杂固体/光纤2 μm波段超快激光锁模技术进展，包括主动锁模技术以及饱和吸收、克尔透镜、非线性偏振旋转、非线性光环形镜、非线性多模干涉等被动锁模技术；其次，结合激光增益介质及色散管理技术回顾了Tm3+/ Ho3+掺杂固体和光纤锁模激光脉冲宽度压缩进展；再次，总结了Tm3+/ Ho3+大能量/高功率超快激光技术及进展；最后，对2 μm波段超快激光发展趋势进行了总结和展望。
-
关键词:
- Tm3+/ Ho3+ /
- 2 μm波段 /
- 锁模激光 /
- 主动锁模 /
- 被动锁模
Abstract: Due to the wide applications, rare earth ions Tm3+/ Ho3+ doped mid-infrared 2 μm ultrafast laser has become one of the hot research topics in the laser field in the past decade. In this paper, the development progress of mode-locking techniques at 2 μm was firstly reviewed, including active mode-locking techniques and passive mode-locking techniques based on the effects of saturation absorption, Kerr lens, nonlinear polarization rotation, nonlinear optical loop mirror, nonlinear multimode interference. Secondly, the development on Tm3+/ Ho3+ doped solid and fiber mode-locked laser pulse compressions was reviewed from the sides of the laser gain media and dispersion management techniques. Thirdly, the technical routes of realizing Tm3+/ Ho3+ high-power and high-energy ultrafast lasers were summarized. Finally, the development trends for 2 μm ultrafast lasers were concluded and outlooked.-
Key words:
- Tm3+/ Ho3+ /
- 2 μm wave band /
- mode-locked laser /
- active mode-locking /
- passive mode-locking
-
表 1 Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段主动锁模激光研究进展
Table 1. Development on the actively mode-locked Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition
rate/MHzPulse duration/
psWavelength/
nmOutput power Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAG 786.5 nm Ti:
sapphire laserAO 300 35 2 010 70 mW 0.23 1991 [8] Tm:YLF 793 nm LD AO 149.3 170 1 910 2.6 W 17.4 2015 [16] Fiber TDF 792 nm LD AO 37.88 38 1 978 11.8 W 314 2011 [10] TDF 792 nm LD AO 0.06 - - 5 W ~8000 2012 [17] TDF 1.57 μm laser EO 11.884/
12.099816/
4461 950 14.3 mW ~0.0012 2013 [18] TDF 1550 nm fiber laser EO 21.4 58 1 980 ~10 mW - 2014 [19] TDF LD AO 66 200 1 950-2130 53 W 800 2015 [20] TDF 1.55 μm laser EO 40000 1.29 2053 - - 2017 [21] Ho3+ Solid Ho:YLF 1940 nm Tm:
fiber laserAO 81.36 290 2 050 4 W 49 2013 [22] Ho:YAG 1.9 μm Tm:
YLF laserAO 82.76 102 2097 1.04 W 12.57 2015 [11] Ho:LuAG 1910 nm Tm:
fiber laserAO 82.48 333.4 2 010 2.7 W 32.7 2015 [12] Ho:YAG 1.9 μm Tm:
fiber laserAO 81.92 294 2 022 3.41 W 41.6 2016 [23] Ho:LuVO4 1940 nm Tm:
fiber laserAO 82.7 363.3 2073.8 3.04 W 36.8 2016 [13] Ho:YAG ceramic 1910 nm Tm:
fiber laserAO 82.15 241.5 2122.1 1.84 mW 0.022 2016 [14] Ho:Sc2SiO5 1940 nm Tm:
fiber laserAO 81.88 282.4 2112.1 2.72 W 33.2 2018 [24] Tm3+/
Ho3+Solid Tm,Ho:
BaYF780 nm LD AO 100 97 2066 20 mW 0.2 2003 [9] Fiber THDF 1570 nm LD EO 2200 200 1 907-1 927 - - 2018 [15] 注：TDF: Tm-doped fiber，Tm3+掺杂光纤；THDF: Tm-Ho co-doped fiber，Tm3+/ Ho3+共掺光纤 
下载: 导出CSV
表 2 基于SESAM Tm3+/ Ho3+ 掺杂2 μm波段锁模激光器研究进展
Table 2. Development on the SESAM mode-locked Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Waveleng-th/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:GPNG 792 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 222 410 1 997 84 0.38 2010 [39] Tm:KYW 801 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 105 386 2 030 235 2.24 2011 [40] Tm:Sc2O3 796 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 124.3 218 2107 325 2.6 2012 [41] Tm:Lu2O3 ceramic 796 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 121.2 180 2076 400 3.3 2012 [42] Tm:LuYSiO5 Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 100 19600 1944.3 64.5 0.645 2012 [43] Tm:YAG ceramic 785 nm Ti:sapphire laser InGaAs-SESAM 88.9 6300 2 012 125 1.4 2013 [44] Tm:LuAG 789 nm LD InGaAs-SESAM 129.2 38000 2 022 1210 9.37 2015 [45] Tm:CaYAlO4 790 nm LD SESAM 145.4 35300 1958.9 &
1960.6830 5.7 2015 [46] Tm:YAG ceramic 786 nm Ti:sapphire laser GaAs-SESAM 89 3000 2 012 150 1.68 2015 [47] Tm:LuAG ceramic 787 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 92 2700 2 022 232 2.52 2017 [48] Tm LuScO ceramic 795 nm Ti:sapphire laser GaAsSb-SESAM 78.9 63 2057 175 2.22 2018 [49] Tm:YLF 793 nm LD GaAs-SESAM 94 31000 1 909 95 1.01 2018 [50] Tm:LuYO3 ceramic 795 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 78 54 2040.5 51 0.65 2020 [32] Tm:YAG 790 nm LD GaAs-SESAM 97.7 47900 2 012 117 1.2 2020 [51] Tm:CaF2 792 nm LD SESAM 96.35 >1500 1886.8 132 1.37 2020 [52] Fiber TDF 783 nm Ti: sapphire laser InGaAs-SESAM 50 190 1 900 - 0.02 1996 [26] TDF 793 nm LD SESAM 39.8 815000 1978 150 3.8 2012 [53] TDF - SESAM 52.6 230 1 860-
1 930106 2 2012 [54] TDF 1550 nm fiber laser SESAM 108 712 1 945 70 0.65 2015 [55] TDF 1.59 μm Er,Yb:fiber laser SESAM 535 7900 1 938 50 0.09 2016 [56] TDF 793 nm LD SESAM 1600 7200 1959.7 4.5 0.003 2018 [57] Ho3+ Solid Ho:YLiF4 1 940 nm Tm: fiber laser InGaAsSb-SESAM 122 1100 2064 580 4.75 2011 [38] Ho:YAG ceramic 1908nm Tm:fiber laser GaSb-SESAM 82.1 2100 2064 230 2.8 2016 [58] Fiber HDF 1150 nm LD SESAM 7.8 2230 2094 28 3.7 2016 [59] Tm3+/Ho3+ Tm,Ho:KY(WO4)2 802 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 132 3300 2057 315 2.38 2009 [28] Solid Tm,Ho:TZN 792 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 143 630 2 012 38 0.27 2010 [39] Tm,Ho:KY(WO4)2 802 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 118 570 2055 130 1.1 2010 [60] Tm,Ho:NaY(WO4)2 795 nm Ti: sapphire laser InGaAsSb-SESAM 144 191 2058 82 0.57 2010 [29] Tm,Ho:YAP 791 nm Ti:sapphire laser InGaAs-SESAM 107 40400 2064.5 132 1.23 2013 [61] Tm,Ho:YAG 726-859 nm Ti:sapphire laser GaSb-SESAM 106.9 21300 2091 63 0.59 2013 [31] Tm,Ho:KLu(WO4)2 802 nm Ti:sapphire laser InGaSb-SESAM 93 7200 2058 155 1.67 2015 [62] Tm,Ho:CaYAlO4 795 nm Ti:sapphire laser InGaAsSb-SESAM 80.45 87 2024.6 27 0.34 2018 [63] Tm,Ho:CNGG - GaSb-SESAM 89.3 73 2061 36 0.4 2020 [64] Tm,Ho:LiLuF4 Ti:sapphire laser GaAs-SESAM 98.04 12000 1895 350 3.51 2020 [65] Fiber THDF - InGaSb -SESAM 50 750 1 972 20 0.4 2007 [66] THDF 799 nm LD InGaSb-SESAM 24.4 1100 2060 10 0.4 2011 [67] THDF 1.56 μm LD SESAM 38.75 600 1 980 15 0.4 2011 [68] 注：HDF: Ho-doped fiber，Ho3+掺杂光纤
下载: 导出CSV
表 3 基于低维纳米材料可饱和吸收体锁模的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光研究进展
Table 3. Development on the ultrafast Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm lasers based on the low-dimension nanomaterial saturable absorber mode-locking
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Saturable absorber Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Wavelength/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAP 795 nm LD Graphene 71.8 ~10000 2 023 268 3.7 2011 [70] Tm:YLF Ti:sapphire laser SWCNT - 19000 1 888 55 - 2011 [79] Tm:Lu2O3 798 nm Ti:sapphire laser SWCNT 88 175 2070 36 0.41 2012 [80] Tm:KLuW 802 nm Ti:sapphire laser SWCNT 88 141 2 037 26 0.3 2012 [81] Tm:CLNGG 790 nm LD Graphene 98.7 729 2 018 60.2 0.61 2012 [72] Tm:YAP 800 nm Ti:sapphire laser Graphene 71.8 10000 2 023 268 3.7 2012 [82] Tm:Lu2O3 796 nm Ti:sapphire laser Graphene 110 410 2067 270 0.13 2013 [83] Tm:YAG ceramic 790 nm LD Graphene 98.7 2800 2 016 158 0.08 2015 [73] Tm:MgWO4 796 nm Ti:sapphire laser Graphene 87 86 2 017 96 1.1 2017 [84] Tm:CNNGG 785 nm Ti:sapphire laser SWCNT 90 84 2 018 22 0.24 2018 [85] Tm:CLNGG 785 nm Ti:sapphire laser SWCNT 86 78 2 017 54 0.63 2018 [86] Tm:LuYO3 795 nm Ti:sapphire laser SWCNT 72.6 57 2 045 63 0.87 2019 [87] Tm:YAG 792 nm LD MoS2 232.2 280000 2 011 & 2 017 200 0.86 2020 [88] Fiber TDF 1.57 μm Er fiber laser SWCNT 37 1320 1 930 3.4 0.09 2008 [69] TDF 1.57 μm Er fiber laser SWCNT 45 750 1 885 25 0.5 2009 [89] TDF 790 nm LD Graphene 3.17 - 2 007 1.8 0.56 2012 [71] TDF - Graphene 6.46 3600 1 940 2 0.4 2012 [90] TDF Er fiber laser Graphene 506 58 - - 1 2012 [91] TDF 1.56 μm Er fiber laser SWCNT 6.71 2300 1 947 3 0.45 2013 [92] TDF 1.57 μm Er,Yb:fiber laser Graphene 20.5 1200 1 884 1.35 0.06 2013 [93] Tm3+ Fiber TDF 1.55 μm Er fiber laser Graphene 16.93 2100 1953.3 1.41 0.08 2013 [94] TDF 1.55 μm Er,Yb:fiber laser MoS2 9.67 843000 1 905 150 15.5 2015 [77] TDF 1568 nm LD BP 36.8 739 1 910 1.5 0.0407 2015 [78] TDF 1.57 μm Er fiber laser CNT 25.76 152 1 972 4.85 0.19 2016 [95] TDF 1.56 μm Er fiber laser Graphene 19.31 773 1 910 115 6 2016 [74] TDF 1.56 μm LD TIs-Sb2Te3 39.5 890 1 945 1.2 0.03 2016 [76] TDF 1.56 μm Er,Yb:fiber laser Graphene 58.87 205 1 945 13 0.22 2017 [96] TDF 1.55 μm LD WTe2 18.72 1250 1915.5 39.9 2.13 2017 [97] TDF 1.55 μm LD MoTe2 15.37 1300 1934.85 212 13.8 2018 [98] TDF 1.55 μm LD SWCNT 21.4 211 - 36 1.68 2019 [99] TDF 1.55 μm LD CNT - 910-6430 1733-2 033 - - 2019 [100] Ho3+ Fiber HDF 1 940 nm Tm fiber laser BP 29.1 1300 2094 11 0.379 2017 [101] HDF 1 940 nm Tm fiber laser Graphene 21.13 190 2060 54 2.55 2018 [102] HDF Tm fiber laser CNT 22.13 212 2080 84 3.79 2019 [103] Tm3+/ Ho3+ Solid Tm, Ho:KLu(WO4)2 802 nm Ti:sapphire laser SWCNT 91 2800 2060 97 1.07 2014 [104] Tm,Ho:CNGG 786 nm Ti:sapphire laser SWCNT 102 76 2081 67 0.66 2018 [105] Tm,Ho:CLNGG 796 nm Ti:sapphire laser SWCNT 99.28 67 2083 - - 2019 [106] Fiber THDF 1.55 μm LD TIs-Bi2Te3 27.9 795 1 935 1 - 2014 [75] THDF 1570 nm fiber laser TIs-Bi2Te3 21.5 1260 1909.5 - - 2015 [107] THDF 1.55 μm LD WS2 34.8 1300 1 941 0.6 0.017 2015 [108] THDF 1566 nm LD VSe2 11.6 1400 1 912 - - 2021 [109]
下载: 导出CSV
表 4 基于类饱和吸收体锁模的Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光研究进展
Table 4. Development on the mode-locked Tm3+/Ho3+ doped ultrafast 2 μm lasers based on artificial SA nonlinear optical effects
Doped ions Material type Gain materials Pump sourse Artificial SA Repetition rate/MHz Pulse duration/fs Wavelength/nm Output power/mW Pulse energy/nJ Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YLF 780 nm Ti:sapphire laser Kerr-lens 41.5 514 2303 14.4 0.35 2017 [111] Tm:Sc2O3 1.59 μm Er,Yb:fiber laser Kerr-lens 93.8 72 2108 130 1.38 2020 [113] Tm:Lu2O3 &
Tm:Sc2O31611 nm Er:Yb MOPA Kerr-lens 93.3 41 2094 42 0.45 2021 [114] Ho3+ Solid Ho:YAG TD 1.908 µm TDFL Kerr-lens 77 270 2090 28000 363 2017 [110] Tm3+ Fiber TDF 783 nm Ti:sapphire laser NPR - 350-500 1798-1 902 0.24 13.74 1995 [115] TDF 793 nm LD NPR 41.4 173 1 974 167 4 2008 [119] TDF 793 nm LD NPR 41.4 1200 1 976 178 4.3 2008 [120] TDF 1.5 μm Er fiber laser NPR 9.78 770 1 982 1.5 0.15 2011 [121] TDF 1575 nm laser NPR & SAM 19.7 482 1 927 13.2 0.67 2012 [122] TDF 1575 nm Er fiber laser NPR 45.42 119 1 912 7.8 0.17 2012 [123] TDF 1561 nm Er fiber laser NPR 6.37 - 1942.2 110 17.3 2013 [124] TDF 1550 nm Er fiber laser NPR & SAM 22.9 200 1 950 16 0.7 2014 [125] TDF 793 nm LD NPR 1.902 2200 1992.7 0.142 0.0746 2014 [126] TDF 793 nm Ti:sapphire laser NPR 67.5 45 1 880 13 0.19 2014 [127] TDF 793 nm LD NPR 2.68 3100 1 862 3 1.12 2015 [128] TDF 1569 nm Er fiber laser NPR 20-30 130 - - 7.6 2015 [129] TDF 793 nm LD NPR 6.32 406 2003.2 - 12.342 2016 [130] TDF 1550 nm Er fiber laser NPR 11.6 350 1 890 90 7.8 2017 [131] TDF - NPR - 142.8 1 950 370 31 2018 [132] TDF 1610 nm EYDFL NPR 10.62 534 1 988 189 17.8 2019 [133] Ho3+ Fiber HDF 1 950 nm Tm fiber laser NPR & SAM 65 920 2 040-2070 - 0.8 2017 [116] HDF 1 950 nm fiber laser NPR 13.2 370000 2133 68.6 5.2 2018 [134] Tm3+ Fiber TDF 1570 nm fiber laser NLMMI 19.82 1400 1 888 - - 2017 [117] Tm3+ Fiber TDF 786 nm laser NALM 4.75 682 - 41 8.75 2012 [135] TDF 786 nm LD NALM 10.4 1500 2 034 0.66 0.063 2013 [136] TDF 793 nm LD NOLM 1.514 341 2 017 377.3 249.32 2014 [137] TDF 793 nm LD NALM 9.1 460 1 990 301 32.72 2015 [138] TDF 793 nm LD NPR & NOLM 2.66 258 2 007 112 42.11 2017 [139] TDF 793 nm LD NOLM 2.85 384 1988.8 720 252.6 2020 [118] TDF 1550 nm Er fiber laser NALM 3.228 317 1946.4 32800 10100 2021 [140] Ho3+ Fiber HDF 1.9 μm TDFL NAbLM 7.765 - 2058 - - 2020 [141] HDF Tm laser NALM 41.7 - 2 050 4 0.095 2020 [142] 注：SA: Saturable absorber，可饱和吸收体；TD: Thin disk，薄片；MOPA: Master oscillator power-amplifier，主振荡功率放大；TDFL: Tm-doped fiber laser，Tm3+掺杂光纤激光器；EYDFL: Er-Yb co-doped fiber laser，Er3+/Yb3+离子共掺光纤激光器
下载: 导出CSV
表 5 Tm3+/ Ho3+掺杂2 μm波段超快激光放大技术研究进展
Table 5. Development of Tm3+/ Ho3+ doped 2 μm ultrafast laser amplification techniques
Doped ions Material type Gain materials Repetition rate/kHz Pulse duration/ps Pulse energy/mJ Cooling type Year Ref. Tm3+ Solid Tm:YAP 1 0.38 0.7 - 2015 [148] Tm:YAP 1 0.36 0.015 TEC 2018 [149] Ho3+ Solid Ho:YAG 5 0.44 3 Water cooling 2013 [143] Ho:YLF 10 300 11 TEC 2013 [150] Ho:YLF 10 50 1.1 Water cooling 2015 [151] Ho:YLF 1/0.01 1.9 6.9/13 TEC 2015 [144] Ho:YLF 100 10 39 Liquid nitrogen 2015 [152] Ho:YLF 1 37 34 Water cooling 2015 [145] Ho:YLF 0.7 - 16 Water cooling 2016 [153] Ho:YLF 10/500 8.3/5.5 0.145/0.0112 TEC 2018 [146] Ho:YLF 10 6.3 0.1 TEC 2018 [154] Ho:YLF 1 2.4 52.5 Water cooling 2020 [147] Ho:YLF 1 6.8 28 Water cooling 2020 [155] Ho:YAG 10 3.2 1.6 - 2021 [156]
下载: 导出CSV
-
[1] De Pelsmaeker J, Graulus G, Van Vlierberghe S, et al. Clear to clear laser welding for joining thermoplastic polymers: A comparative study based on physicochemical characterization [J]. Journal of Materials Processing Technology, 2018, 255: 808-815. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.12.011 [2] Mizutani K, Ishii S, Aoki M, et al. 2 μm Doppler wind lidar with a Tm: fiber-laser-pumped Ho: YLF laser [J]. Optics Letters, 2018, 43(2): 202-205. doi: 10.1364/OL.43.000202 [3] Antonov V A, Han K C, Akhmedzhanov T R, et al. Attosecond pulse amplification in a plasma-based X-Ray laser dressed by an infrared laser field [J]. Physical Review Letters, 2019, 123(24): 243903. doi: 10.1103/PhysRevLett.123.243903 [4] Yoshida T, Taguchi M, Takaaki I, et al. Thulium laser ablation facilitates retrograde intra-renal surgery for upper urinary tract urothelial carcinoma [J]. International Journal of Urology, 2018, 25: 379-383. doi: 10.1111/iju.13522 [5] Antipov O L, Eranov I D, Kositsyn R I. 10-W mid-IR optical parametric oscillators based on ZnGeP2 elements pumped by a fibre-laser-pumped Ho: YAG Laser. Experimental and numerical study [J]. Quantum Electronics (Woodbury, N. Y.), 2017, 47(7): 601-606. [6] Zhang Z, Guo X, Wang J, et al. High-efficiency 2 μm continuous-wave laser in laser diode-pumped Tm3+, La3+: CaF2 single crystal [J]. Optics Letters, 2018, 43(17): 4300-4303. doi: 10.1364/OL.43.004300 [7] Huang H, Hu H, Lin Z, et al. Anisotropic thermal analyses of a high efficiency Tm: YAP slab laser and its intra-cavity pumping for Ho lasers [J]. Optics Express, 2020, 28(14): 20930. doi: 10.1364/OE.396087 [8] Pinto J F, Esterowitz L. Continuous-wave mode-locked 2-μm Tm: YAG laser [J]. Optics Letters, 1992, 17(10): 731. doi: 10.1364/OL.17.000731 [9] Galzerano G, Marano M, Longhi S, et al. Sub-100-ps amplitude-modulation mode-locked Tm-Ho: BaY2F8 laser at 2.06 μm [J]. Optics Letters, 2003, 28(21): 2085-2087. doi: 10.1364/OL.28.002085 [10] Hubner P, Kieleck C, Jackson S D, et al. High-power actively mode-locked sub-nanosecond Tm3+-doped silica fiber laser [J]. Optics Letters, 2011, 36(13): 2483-2485. doi: 10.1364/OL.36.002483 [11] Yao B Q, Cui Z, Wang J, et al. An actively mode-locked Ho: YAG solid laser pumped by a Tm: YLF laser [J]. Laser Physics Letters, 2014, 12(2): 25002. [12] Cui Z, Duan X M, Yao B Q, et al. Actively mode-locked Ho: LuAG laser at 2.1 μm [J]. Applied Physics B, 2015, 121(4): 421-424. doi: 10.1007/s00340-015-6235-5 [13] Duan X, Zhang P, Cui Z, et al. Actively mode-locked Ho: LuVO4 laser at 2073.8 nm [J]. Optical Engineering, 2016, 55(12): 126104. doi: 10.1117/1.OE.55.12.126104 [14] Duan X, Yuan J, Cui Z, et al. Resonantly pumped actively mode-locked Ho: YAG ceramic laser at 2122.1 nm [J]. Applied Optics, 2016, 55(8): 1953-1956. doi: 10.1364/AO.55.001953 [15] Ma W, Wang T, Wang F, et al. Tunable high repetition rate actively mode-locked fiber laser at 2 μm [J]. Opto-Electronic Engineering, 2018, 45(10): 170662. [16] Muzik J, Jr M J, Vyhlidal D, et al. 2.6 W diode-pumped actively mode-locked Tm: YLF laser [J]. Laser Physics Letters, 2015, 12(3): 035802. doi: 10.1088/1612-2011/12/3/035802 [17] Eckerle M, Kieleck C, Świderski J, et al. Actively Q-switched and mode-locked Tm3+-doped silicate 2 μm fiber laser for supercontinuum generation in fluoride fiber [J]. Optics Letters, 2012, 37(4): 512-514. doi: 10.1364/OL.37.000512 [18] Wang X, Zhou P, Wang X, et al. 2-μm Tm-Doped all-fiber pulse laser with active mode-locking and relaxation oscillation modulating [J]. Photonics Journal, IEEE, 2013, 5(6): 1502206. doi: 10.1109/JPHOT.2014.2299439 [19] Yin K, Zhang B, Yang W, et al. Flexible picosecond thulium-doped fiber laser using the active mode-locking technique [J]. Optics Letters, 2014, 39(14): 4259-4262. doi: 10.1364/OL.39.004259 [20] Kneis C, Donelan B, Berrou A, et al. Actively mode-locked Tm3+-doped silica fiber laser with wavelength-tunable, high average output power [J]. Optics Letters, 2015, 40(7): 1464-1467. doi: 10.1364/OL.40.001464 [21] Wu X, Wu Z, Huang T, et al. All-optical actively mode-locked fiber laser at 2-μm based on inter-band modulation [J]. IEEE Photonics Journal, 2017, 9(5): 2756643. [22] Dergachev A. High-energy, kHz-rate, picosecond, 2-µm laser pump source for mid-IR nonlinear optical devices[C]//Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2013, 8599: 2001386. [23] Yao B Q, Li H, Li X L, et al. An actively mode-locked Ho: YAG solid-laser pumped by a Tm-doped fiber laser [J]. Chinese Physics Letters, 2016, 33(4): 44-47. [24] Xiao Y H, Mu Y L, Yang L L, et al. A ps level actively mode-locked Ho: Sc2SiO5 laser at 2112.1 nm resonantly-pumped by Tm fiber laser [J]. Laser Physics, 2018, 28(1): 015801. doi: 10.1088/1555-6611/aa92ee [25] Schepler K L, Smith B D, Heine F, et al. Passive Q-switching and mode locking of 2-um lasers[C]//SPIE, 1993: 186-189. [26] Sharp R C, Spock D E, Pan N, et al. 190-fs passively mode-locked thulium fiber laser with a low threshold [J]. Optics Letters, 1996, 21(12): 881-883. doi: 10.1364/OL.21.000881 [27] Paajaste J, Suomalainen S, Koskinen R, et al. GaSb-based heterostructures for high power and pulsed laser operation [J]. Lithuanian Journal of Physics, 2010, 50(1SI): 41-46. [28] Lagatsky A A, Fusari F, Calvez S, et al. Passive mode locking of a Tm, Ho: KY(WO4)2 laser around 2 μm [J]. Optics Letters, 2009, 34(17): 2587-2589. doi: 10.1364/OL.34.002587 [29] Lagatsky A A, Han X, Serrano M D, et al. Femtosecond (191 fs) NaY(WO4)2 Tm, Ho-codoped laser at 2060 nm [J]. Optics Letters, 2010, 35(18): 3027-3029. doi: 10.1364/OL.35.003027 [30] Paajaste J, Suomalainen S, Koskinen R, et al. GaSb-based semiconductor saturable absorber mirrors for mode-locking 2 μm semiconductor disk lasers [J]. Physica Status Solidi, 2012, 9(2): 294-297. [31] Yang K, Heinecke D, Paajaste J, et al. Mode-locking of 2 μm Tm, Ho: YAG laser with GaInAs and GaSb-based SESAMs [J]. Optics Express, 2013, 21(4): 4311-4318. doi: 10.1364/OE.21.004311 [32] Zhao Y, Wang L, Chen W, et al. SESAM mode-locked Tm: LuYO3 ceramic laser generating 54-fs pulses at 2048 nm [J]. Applied Optics, 2020, 59(33): 10493-10497. doi: 10.1364/AO.408650 [33] Kim A, Hunsche S, Dekorsy T, et al. Time-resolved study of intervalence band thermalization in a GaAs quantum well [J]. Applied Physics Letters, 1996, 68(21): 2956-2958. doi: 10.1063/1.116367 [34] Georgiev N, Semtsiv M, Dekorsy T, et al. Intersubband transitions in strain compensated InGaAs/AlAs quantum well structures grown on InP[C]//Institute of Physics Conference Series, 2003. [35] Tribuzy V B, Ohser S, Winnerl S, et al. Femtosecond pump-probe spectroscopy of intersubband relaxation dynamics in narrow InGaAs/AlAsSb quantum well structures [J]. Applied Physics Letters, 2006, 89(17): 495. [36] Tribuzy V B, Ohser S, Priegnitz M, et al. Inefficiency of intervalley transfer in narrow InGaAs/AlAsSb quantum wells [J]. Physica Status Solidic, 2010, 5(1): 229-231. [37] Yang K, Bromberger H, Ruf H, et al. Passively mode-locked Tm, Ho: YAG laser at 2 microm based on saturable absorption of intersubband transitions in quantum wells [J]. Optics Express, 2010, 18(7): 6537-6544. doi: 10.1364/OE.18.006537 [38] Coluccelli N, Lagatsky A, Di Lieto A, et al. Passive mode locking of an in-band-pumped Ho: YLiF4 laser at 2.06 μm [J]. Optics Letters, 2011, 36(16): 3209-3211. doi: 10.1364/OL.36.003209 [39] Fusari F, Lagatsky A A, Jose G, et al. Femtosecond mode-locked Tm3+ and Tm3+-Ho3+ doped 2 μm glass lasers [J]. Optics Express, 2010, 18(21): 22090-22098. doi: 10.1364/OE.18.022090 [40] Lagatsky A A, Calvez S, Gupta J A, et al. Broadly tunable femtosecond mode-locking in a Tm:KYW laser near 2 μm [J]. Optics Express, 2011, 19(10): 9995-10000. doi: 10.1364/OE.19.009995 [41] Lagatsky A A, Koopmann P, Fuhrberg P, et al. Passively mode locked femtosecond Tm: Sc2O3 laser at 2.1 μm [J]. Opt Lett, 2012, 37(3): 437-439. doi: 10.1364/OL.37.000437 [42] Lagatsky A A, Antipov O L, Sibbett W. Broadly tunable femtosecond Tm: Lu2O3 ceramic laser operating around 2070 nm [J]. Optics Letters, 2012, 20(17): 19349-19354. [43] Yang K J, Bromberger H, Heinecke D, et al. Efficient continuous wave and passively mode-locked Tm-doped crystalline silicate laser [J]. Optics Express, 2012, 20(17): 18630-18635. doi: 10.1364/OE.20.018630 [44] Gluth A, Mateos X, Paajaste J, et al. Passively Mode-Locked Tm: YAG Ceramic Laser at 2 µm[C]//Advanced Solid State Lasers, 2013. [45] Feng T, Yang K, Zhao J, et al. 1.21 W passively mode-locked Tm: LuAG laser [J]. Optics Express, 2015, 23(9): 11819. doi: 10.1364/OE.23.011819 [46] Kong L C, Qin Z P, Xie G Q, et al. Dual-wavelength synchronous operation of a mode-locked 2-µm Tm: CaYAlO4 laser [J]. Optics Letters, 2015, 40(3): 356-358. doi: 10.1364/OL.40.000356 [47] Gluth A, Wang Y, Petrov V, et al. GaSb-based SESAM mode-locked Tm: YAG ceramic laser at 2 µm [J]. Optics Express, 2015, 23(2): 1361. doi: 10.1364/OE.23.001361 [48] Wang Y, Lan R, Mateos X, et al. Thulium doped LuAG ceramics for passively mode locked lasers [J]. Optics Express, 2017, 25(6): 7084. doi: 10.1364/OE.25.007084 [49] Wang Y, Jing W, Loiko P, et al. Sub-10 optical-cycle passively mode-locked Tm: (Lu2/3Sc1/3)2O3 ceramic laser at 2 µm [J]. Optics Express, 2018, 26(8): 10299. doi: 10.1364/OE.26.010299 [50] Tyazhev A, Soulard R, Godin T, et al. Passively mode-locked diode-pumped Tm3+: YLF laser emitting at 1.91 µm using a GaAs-based SESAM [J]. Laser Physics Letters, 2018, 15(4): 045807. doi: 10.1088/1612-202X/aaa9aa [51] Shen Y, Han X, Li L, et al. Continuous-wave mode-locked Tm: YAG laser with GaAs-based SESAM [J]. Infrared Physics & Technology, 2020, 111: 103539. [52] Liu J, Zhang C, Zhang Z, et al. 1886-nm mode-locked and wavelength tunable Tm-doped CaF2 lasers [J]. Optics Letters, 2019, 44(1): 134-137. doi: 10.1364/OL.44.000134 [53] Zhou W, Shen D Y, Wang Y S, et al. Mode-locked thulium-doped fiber laser with a narrow bandwidth and high pulse energy [J]. Laser Physics Letters, 2012, 9(8): 587-590. doi: 10.7452/lapl.201210039 [54] Chernysheva M A, Krylov A A, Kryukov P G, et al. Nonlinear amplifying loop-mirror-based mode-locked Thulium-doped fiber laser [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2012, 24(14): 1254-1256. doi: 10.1109/LPT.2012.2201713 [55] Li H, Liu J, Cheng Z, et al. Pulse-shaping mechanisms in passively mode-locked thulium-doped fiber lasers [J]. Optics Express, 2015, 23(5): 6292. doi: 10.1364/OE.23.006292 [56] Kuan P, Li K, Zhang L, et al. 0.5-GHz repetition rate fundamentally Tm-doped mode-locked fiber laser [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2016, 28(14): 1525-1528. doi: 10.1109/LPT.2016.2555988 [57] Cheng H, Lin W, Luo Z, et al. Passively mode-locked Tm3+-doped fiber laser with gigahertz fundamental repetition rate [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2018, 24(3): 1-6. [58] Wang Y, Lan R, Mateos X, et al. Broadly tunable mode-locked Ho: YAG ceramic laser around 2.1 µm [J]. Optics Express, 2016, 24(16): 18003. doi: 10.1364/OE.24.018003 [59] Sorokin E, Bugar I, Sorokina I T, et al. Compact diode-pumped dispersion-managed SESAM-mode-locked Ho: fiber laser[C]//Mid-infrared Coherent Source, 2016. [60] Lagatsky A A, Fusari F, Calvez S, et al. Femtosecond pulse operation of a Tm, Ho-codoped crystalline laser near 2 μm [J]. Optics Letters, 2010, 35(2): 172-174. doi: 10.1364/OL.35.000172 [61] Yang K J, Heinecke D C, Kolbl C, et al. Mode-locked Tm, Ho: YAP laser around 2.1 μm [J]. Optics Express, 2013, 21(2): 1574-1580. doi: 10.1364/OE.21.001574 [62] Aleksandrov V, Gluth A, Petrov V, et al. Mode-locked Tm, Ho: KLu(WO4) 2 laser at 2060 nm using InGaSb-based SESAMs [J]. Optics Express, 2015, 23(4): 4614. doi: 10.1364/OE.23.004614 [63] Zhao Y, Wang Y, Zhang X, et al. 87 fs mode-locked Tm, Ho: CaYAlO4 laser at 2043 nm [J]. Optics Letters, 2018, 43(4): 915. doi: 10.1364/OL.43.000915 [64] Wang Y, Zhao Y, Pan Z, et al. 73-fs SESAM mode-locked Tm, Ho: CNGG laser at 2061 nm[C]//Solid State Lasers XXIX: Technology and Devices, 2020. [65] Ling W, Xia T, Sun R, et al. Low threshold, high efficiency passively mode-locked picosecond Tm, Ho: LiLuF4 laser [J]. Frontiers in Physics, 2020: 7. [66] Kivisto S, Hakulinen T, Guina M, et al. Tunable Raman soliton source using mode-locked Tm/Ho fiber system[C]//IEEE, 2007: 1. [67] Wang Q, Geng J, Jiang Z, et al. Mode-locked Tm-Ho-codoped fiber laser at 2.06 μm [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(11): 682-684. doi: 10.1109/LPT.2011.2123880 [68] Kivisto S, Okhotnikov O G. 600-fs mode-locked Tm–Ho-doped fiber laser synchronized to optical clock with optically driven semiconductor saturable absorber [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2011, 23(8): 477-479. doi: 10.1109/LPT.2011.2109945 [69] Solodyankin M A, Obraztsova E D, Lobach A S, et al. Mode-locked 1.93 microm thulium fiber laser with a carbon nanotube absorber [J]. Optics Letters, 2008, 33(12): 1336-1338. doi: 10.1364/OL.33.001336 [70] Liu J, Wang Y G, Qu Z S, et al. Graphene oxide absorber for 2 μm passive mode-locking Tm: YAlO3 laser [J]. Laser Physics Letters, 2011, 9(1): 15-19. [71] Liu J, Wu S, Xu J, et al. Mode-locked 2 μm thulium-doped fiber laser with graphene oxide saturable absorber[C]//IEEE, 2012: 1-2. [72] Ma J, Xie G Q, Lv P, et al. Graphene mode-locked femtosecond laser at 2 μm wavelength [J]. Optics Letters, 2012, 37(11): 2085-2087. doi: 10.1364/OL.37.002085 [73] Ma J, Xie G, Zhang J, et al. Passively mode-locked Tm: YAG ceramic laser based on graphene [J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, 21(1): 50-55. [74] Jeong H, Choi S Y, Kim M H, et al. All-fiber Tm-doped soliton laser oscillator with 6 nJ pulse energy based on evanescent field interaction with monoloayer graphene saturable absorber [J]. Optics Express, 2016, 24(13): 14152. doi: 10.1364/OE.24.014152 [75] Jung M, Lee J, Koo J, et al. A femtosecond pulse fiber laser at 1935 nm using a bulk-structured Bi2Te3 topological insulator [J]. Optics Express, 2014, 22(7): 7865. doi: 10.1364/OE.22.007865 [76] Tarka J, Boguslawski J, Zybala R, et al. 2 µm ultrafast fiber laser modelocked by mechanically exfoliated Sb2Te3[C]//SPIE, 2016: 972820. [77] Tian Z, Wu K, Kong L, et al. Mode-locked thulium fiber laser with MoS2 [J]. Laser Physics Letters, 2015, 12(6): 65104. doi: 10.1088/1612-2011/12/6/065104 [78] Sotor J, Sobon G, Kowalczyk M, et al. Ultrafast thulium-doped fiber laser mode locked with black phosphorus [J]. Optics Letters, 2015, 40(16): 3885-3888. doi: 10.1364/OL.40.003885 [79] Schmidt A, Parisi D, Veronesi S, et al. Passive mode-locking of a Tm: YLF laser[C]//Lasers & Electro-optics IEEE, 2011. [80] Schmidt A, Koopmann P, Huber G, et al. 175 fs Tm: Lu2O3 laser at 2.07 μm mode-locked using single-walled carbon nanotubes [J]. Optics Express, 2012, 20(5): 5313-5318. doi: 10.1364/OE.20.005313 [81] Schmidt A, Sun Y C, Yeom D I, et al. Femtosecond pulses near 2 μm from a Tm: KLuW laser mode-locked by a single-walled carbon nanotube saturable absorber [J]. Applied Physics Express, 2012, 5(9): 2704. [82] Liu J, Wang Y G, Qu Z S, et al. Graphene oxide absorber for 2 μm passive mode-locking Tm: YAlO3 laser [J]. Laser Physics Letters, 2012, 9(1): 15-19. doi: 10.1002/lapl.201110087 [83] Lagatsky A A, Sun Z, Kulmala T S, et al. 2 μm solid-state laser mode-locked by single-layer graphene [J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(1): 959. [84] Wang Y, Chen W, Mero M, et al. Sub-100 fs Tm: MgWO4 laser at 2017 nm mode locked by a graphene saturable absorber [J]. Optics Letters, 2017, 42(16): 3076-3079. doi: 10.1364/OL.42.003076 [85] Pan Z B, Wang Y C, Zhao Y G, et al. Generation of 84-fs pulses from a mode-locked Tm: CNNGG disordered garnet crystal laser [J]. Photonics Research, 2018, 6(8): 800-804. doi: 10.1364/PRJ.6.000800 [86] Wang Y, Zhao Y, Pan Z, et al. 78 fs SWCNT-SA mode-locked Tm: CLNGG disordered garnet crystal laser at 2017 nm [J]. Optics Letters, 2018, 43(17): 4268-4271. doi: 10.1364/OL.43.004268 [87] Zhao Y, Li W, Wang Y, et al. SWCNT-SA mode-locked Tm: LuYO3 ceramic laser delivering 8-optical-cycle pulses at 2.05 µm [J]. Optics Letters, 2019, 45(2): 380035. [88] Li L, Zhou L, Li T, et al. Passive mode-locking operation of a diode-pumped Tm: YAG laser with a MoS2 saturable absorber [J]. Optics & Laser Technology, 2020, 124: 105986. [89] Kieu K, Wise F W. Soliton Thulium-doped fiber laser with carbon nanotube saturable absorber [J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, 21(3): 128-130. doi: 10.1109/LPT.2008.2008727 [90] Zhang M, Kelleher E J R, Torrisi F, et al. Tm-doped fiber laser mode-locked by graphene-polymer composite [J]. Optics Express, 2012, 20(22): 25077-25084. doi: 10.1364/OE.20.025077 [91] Jiang J, Mohr C, Bethge J, et al. 500 MHz, 58fs highly coherent Tm fiber soliton laser[C]//IEEE, 2012: 1-2. [92] Wang Q, Chen T, Li M, et al. All-fiber ultrafast thulium-doped fiber ring laser with dissipative soliton and noise-like output in normal dispersion by single-wall carbon nanotubes [J]. Applied Physics Letters, 2013, 103(1): 11103. doi: 10.1063/1.4813108 [93] Sobon G, Sotor J, Pasternak I, et al. Thulium-doped all-fiber laser mode-locked by CVD-graphene/PMMA saturable absorber [J]. Optics Express, 2013, 21(10): 12797. doi: 10.1364/OE.21.012797 [94] Wang Q, Chen T, Zhang B, et al. All-fiber passively mode-locked thulium-doped fiber ring laser using optically deposited graphene saturable absorbers [J]. Applied Physics Letters, 2013, 102(13): 131117. doi: 10.1063/1.4800036 [95] Wang J, Liang X, Hu G, et al. 152 fs nanotube-mode-locked thulium-doped all-fiber laser [J]. Scientific Reports, 2016, 6(1): 28885. [96] Sotor J, Bogusławski J, Martynkien T, et al. All-polarization-maintaining, stretched-pulse Tm-doped fiber laser, mode-locked by a graphene saturable absorber [J]. Optics Letters, 2017, 42(8): 1592-1595. doi: 10.1364/OL.42.001592 [97] Wang J, Jiang Z, Chen H, et al. Magnetron-sputtering deposited WTe2 for an ultrafast thulium-doped fiber laser [J]. Optics Letters, 2017, 42(23): 5010-5013. doi: 10.1364/OL.42.005010 [98] Wang J, Jiang Z, Chen H, et al. High energy soliton pulse generation by a magnetron-sputtering-deposition-grown MoTe2 saturable absorber [J]. Photonics Research (Washington, DC), 2018, 6(6): 535. [99] Watanabe K, Zhou Y, Saitoh A, et al. Dispersion managed, high power TM-doped ultrashort pulse fiber laser at 1.9 μm using single wall carbon nanotube polyimide film[C]//IEEE, 2019. [100] Dai R, Meng Y, Li Y, et al. Nanotube mode-locked, wavelength and pulsewidth tunable thulium fiber laser [J]. Optics Express, 2019, 27(3): 3518. doi: 10.1364/OE.27.003518 [101] Pawliszewska M, Ge Y, Li Z, et al. Fundamental and harmonic mode-locking at 2.1 μm with black phosphorus saturable absorber [J]. Optics Express, 2017, 25(15): 16916. doi: 10.1364/OE.25.016916 [102] Pawliszewska M, Martynkien T, Przewłoka A, et al. Dispersion-managed Ho-doped fiber laser mode-locked with a graphene saturable absorber [J]. Optics Letters, 2018, 43(1): 38-41. doi: 10.1364/OL.43.000038 [103] Pawliszewska M, Dużyńska A, Zdrojek M, et al. Metallic carbon nanotube-based saturable absorbers for holmium-doped fiber lasers [J]. Optics Express, 2019, 27(8): 11361. doi: 10.1364/OE.27.011361 [104] Aleksandrov V, Gluth A, Petrov V, et al. Tm, Ho: KLu(WO4)2 laser mode- locked near 2 μm by single-walled carbon nanotubes [J]. Optics Express, 2014, 22(22): 26872. doi: 10.1364/OE.22.026872 [105] Pan Z, Wang Y, Zhao Y, et al. Sub-80fs mode-locked Tm, Ho-codoped disordered garnet crystal oscillator operating at 2081nm [J]. Optics Letters, 2018, 43(20): 5154-5157. doi: 10.1364/OL.43.005154 [106] Zhao Y, Wang Y, Chen W, et al. 67-fs pulse generation from a mode-locked Tm, Ho: CLNGG laser at 2083 nm [J]. Optics Express, 2019, 27(3): 1922. doi: 10.1364/OE.27.001922 [107] Yin K, Zhang B, Li L, et al. Soliton mode-locked fiber laser based on topological insulator Bi2Te3 nanosheets at 2 μm [J]. Photonics Research, 2015, 3(3): 72-75. doi: 10.1364/PRJ.3.000072 [108] Jung M, Lee J, Park J, et al. Mode-locked, 194-μm, all-fiberized laser using WS2-based evanescent field interaction [J]. Optics Express, 2015, 23(15): 19996. doi: 10.1364/OE.23.019996 [109] Ahmad H, Ariffin N A M, Aidit S N, et al. 1.9 μm mode-locked fiber laser based on evanescent field interaction with metallic vanadium diselenide (VSe2) [J]. Optik, 2021, 230: 166280. doi: 10.1016/j.ijleo.2021.166280 [110] Zhang J, Mak K F, Gröbmeyer S, et al. 270 fs, 30-W-level Kerr-lens mode- locked Ho: YAG thin-disk oscillator at 2 μm[C]// Nonlinear Optics, 2017. [111] Canbaz F, Yorulmaz I, Sennaroglu A. Kerr-lens mode-locked 2.3 μm Tm3+: YLF laser as a source of femtosecond pulses in the mid-infrared [J]. Optics Letters, 2017, 42(19): 3964-3967. doi: 10.1364/OL.42.003964 [112] Su Z, Zhang X, Huang J, et al. Self-mode-locking operation of a diode-end-pumped Tm: YAP laser with watt-level output power [J]. Laser Physics, 2018, 28(3): 035804. doi: 10.1088/1555-6611/aa9f64 [113] Suzuki A, Krnkel C, Tokurakawa M. High quality-factor Kerr-lens mode- locked Tm: Sc2O3 single crystal laser with anomalous spectral broadening [J]. Applied Physics Express, 2020, 13(5): 052007. doi: 10.35848/1882-0786/ab88c3 [114] Anna Suzuki, Christian Kränkel, Masaki Tokurakawa. Sub-6 optical-cycle Kerr-lens mode-locked Tm: Lu2O3 and Tm: Sc2O3 combined gain media laser at 2.1 μm [J]. Optics Express, 2021, 29: 19465-19471. doi: 10.1364/OE.428063 [115] Nelson L E, Ippen E P, Haus H A. Broadly tunable sub‐500 fs pulses from an additive-pulse mode-locked thulium-doped fiber ring laser [J]. Applied Physics Letters, 1995, 67(1): 19-21. doi: 10.1063/1.115477 [116] Li P, Ruehl A, Bransley C, et al. Low noise, tunable Ho: fiber soliton oscillator for Ho: YLF amplifier seeding [J]. Physics, 2016, 13(6): 065104. [117] Li H, Wang Z, Li C, et al. Mode-locked Tm fiber laser using SMF-SIMF-GIMF-SMF fiber structure as a saturable absorber [J]. Optics Express, 2017, 25(22): 26546. doi: 10.1364/OE.25.026546 [118] Ahmad H, Ahmed M H M, Samion M Z. Generation of mode-locked noise-like pulses in double-clad Tm-doped fibre laser with nonlinear optical loop mirror [J]. Journal of Modern Optics, 2020, 67(2): 146-152. doi: 10.1080/09500340.2019.1699969 [119] Haxsen F, Ruehl A, Engelbrecht M, et al. Stretched-pulse operation of a thulium-doped fiber laser [J]. Optics Express, 2008, 16(25): 20471-20476. doi: 10.1364/OE.16.020471 [120] Engelbrecht M, Haxsen F, Ruehl A, et al. Ultrafast thulium-doped fiber-oscillator with pulse energy of 4.3 nJ [J]. Optics Letters, 2008, 33(7): 690-692. doi: 10.1364/OL.33.000690 [121] Wang Q, Chen T, Zhang B, et al. All-fiber passively mode-locked thulium-doped fiber ring oscillator operated at solitary and noiselike modes [J]. Optics Letters, 2011, 36(19): 3750-3752. doi: 10.1364/OL.36.003750 [122] Haxsen F, Wandt D, Morgner U, et al. Monotonically chirped pulse evolution in an ultrashort pulse thulium-doped fiber laser [J]. Optics Letters, 2012, 37(6): 1014-1016. doi: 10.1364/OL.37.001014 [123] Wienke A, Haxsen F, Wandt D, et al. Ultrafast, stretched-pulse thulium-doped fiber laser with a fiber-based dispersion management [J]. Optics Letters, 2012, 37(13): 2466-2468. doi: 10.1364/OL.37.002466 [124] He X, Luo A, Yang Q, et al. 60 nm Bandwidth, 17 nJ Noiselike pulse generation from a Thulium-doped fiber ring laser [J]. Applied Physics Express, 2013, 6(11): 112702. doi: 10.7567/APEX.6.112702 [125] Gebhardt M, Gaida C, Stutzki F, et al. Sub-200 fs, nJ-level stretched-pulse thulium-doped fiber oscillator at 23 MHz repetition rate [J]. Advanced Solid State Lasers, 2014: AM5A.43. [126] Li J, Yan Z, Sun Z, et al. Thulium-doped all-fiber mode-locked laser based on NPR and 45°-tilted fiber grating [J]. Optics Express, 2014, 22(25): 31020. doi: 10.1364/OE.22.031020 [127] Nomura Y, Fuji T. Sub-50-fs pulse generation from thulium-doped ZBLAN fiber laser oscillator [J]. Optics Express, 2014, 22(10): 12461. doi: 10.1364/OE.22.012461 [128] Yan Z, Li X, Tang Y, et al. Tunable and switchable dual-wavelength Tm-doped mode-locked fiber laser by nonlinear polarization evolution [J]. Optics Express, 2015, 23(4): 4369. doi: 10.1364/OE.23.004369 [129] Tang Y, Chong A, Wise F W. Generation of 8 nJ pulses from a normal-dispersion thulium fiber laser [J]. Optics Letters, 2015, 40(10): 2361-2364. doi: 10.1364/OL.40.002361 [130] Liu S, Yan F, Li Y, et al. Noise-like pulse generation from a thulium-doped fiber laser using nonlinear polarization rotation with different net anomalous dispersion [J]. Photonics Research, 2016, 4(6): 318-321. doi: 10.1364/PRJ.4.000318 [131] Gao C, Wang Z, Luo H, et al. High energy all-fiber Tm-doped femtosecond soliton laser mode-locked by nonlinear polarization rotation [J]. Journal of Lightwave Technology, 2017, 35(14): 2988-2993. doi: 10.1109/JLT.2017.2712759 [132] Voropaev V S, Donodin A I, Voronets A I, et al. High-power passively mode-locked thulium-doped all-fiber ring laser with nonlinearity and dispersion management[C]//2018 International Conference Laser Optics (ICLO), 2018. [133] Michalska M, Swiderski J. Noise-like pulse generation using polarization maintaining mode-locked Thulium-doped fiber laser with nonlinear amplifying loop mirror [J]. IEEE Photonics Journal, 2019, 11(6): 1-10. [134] Liu G, Yin K, Yang L, et al. Noise-like pulse generation from a Ho-doped fiber laser based on nonlinear polarization rotation[C]//SPIE, 2018: 1061908. [135] Rudy C W, Digonnet M, Byer R L, et al. Thulium-doped Germanosilicate Mode-locked Fiber Lasers[C]//Fiber Lasers and Applications, 2012. [136] Rudy C W, Urbanek K E, Digonnet M J F, et al. Amplified 2-μm Thulium- doped all-fiber mode-locked figure-eight laser [J]. Journal of Lightwave Technology, 2013, 31(11): 1809-1812. doi: 10.1109/JLT.2013.2258891 [137] Li J, Zhang Z, Sun Z, et al. All-fiber passively mode-locked Tm-doped NOLM-based oscillator operating at 2-μm in both soliton and noisy-pulse regimes [J]. Optics Express, 2014, 22(7): 7875. doi: 10.1364/OE.22.007875 [138] Liu S, Yan F, Zhang L, et al. Noise-like femtosecond pulse in passively mode-locked Tm-doped NALM-based oscillator with small net anomalous dispersion[J]. Journal of Optics, 2015, 18(1): 15508. [139] Liu S, Yan F, Feng T, et al. Single-polarization noise-like pulse generation from a hybrid mode-locked thulium-doped fiber laser[J]. Journal of Optics (2010), 2017, 19(4): 45505. [140] Wang M, Zhao J, Chen Y, et al. 10 µJ noise-like pulse generated from all fiberized Tm-doped fiber oscillator and amplifier [J]. Optics Express, 2021, 29(7): 10172. doi: 10.1364/OE.421867 [141] Zhao J, Zhou J, Jiang Y, et al. Nonlinear absorbing-loop mirror in a Holmium-doped fiber laser [J]. Journal of Lightwave Technology, 2020, 38(21): 6069-6075. doi: 10.1109/JLT.2020.3005611 [142] Mahnke C, Ma Y, Salman S, et al. A passively mode-locked Holmium fiber oscillator based on a Nonlinear Amplifying Loop Mirror operating at 2050 nm [J]. The European Physical Journal Conferences, 2020, 243: 04002. doi: 10.1051/epjconf/202024304002 [143] Malevich P, Andriukaitis G, Flöry T, et al. High energy and average power femtosecond laser for driving mid-infrared optical parametric amplifiers [J]. Optics Letters, 2013, 38(15): 2746-2749. doi: 10.1364/OL.38.002746 [144] Kroetz P, Ruehl A, Chatterjee G, et al. Overcoming bifurcation instability in high-repetition-rate Ho: YLF regenerative amplifiers [J]. Optics Letters, 2015, 40(23): 5427-5430. doi: 10.1364/OL.40.005427 [145] Grafenstein L V, Bock M, Ueberschaer D, et al. Picosecond 34 mJ pulses at kHz repetition rates from a Ho: YLF amplifier at 2 µm wavelength [J]. Optics Express, 2015, 23(26): 33142. doi: 10.1364/OE.23.033142 [146] Hinkelmann M, Wandt D, Morgner U, et al. High repetition rate, µJ-level, CPA-free ultrashort pulse multipass amplifier based on Ho: YLF [J]. Optics Express, 2018, 26(14): 18125. doi: 10.1364/OE.26.018125 [147] Grafenstein L V, Bock M, Ueberschaer D, et al. 2.05 μm chirped pulse amplification system at a 1 kHz repetition rate-2.4 ps pulses with 17 GW peak power [J]. Optics Letters, 2020, 45(14): 3836-3839. doi: 10.1364/OL.395496 [148] Wienke A, Wandt D, Morgner U, et al. 700 MW peak power of a 380 fs regenerative amplifier with Tm: YAP [J]. Optics Express, 2015, 23(13): 16884. doi: 10.1364/OE.23.016884 [149] Rezvani S A, Suzuki M, Malevich P, et al. Millijoule femtosecond pulses at 1937 nm from a diode-pumped ring cavity Tm: YAP regenerative amplifier [J]. Optics Express, 2018, 26(22): 29460. doi: 10.1364/OE.26.029460 [150] Dergachev A. High-energy, kHz-rate, picosecond, 2-μm laser pump source for mid-IR nonlinear optical devices[C]//Proceedings of SPIE, 2013, 8599. [151] Grafenstein L V, Bock M, Griebner U, et al. High-energy multi-kilohertz Ho-doped regenerative amplifiers around 2 µm [J]. Optics Express, 2015, 23(11): 14744. doi: 10.1364/OE.23.014744 [152] Hemmer M, Sanchez D, Jelinek M, et al. 2-μm wavelength, high-energy Ho: YLF chirped-pulse amplifier for mid-infrared OPCPA [J]. Optics Letters, 2015, 40(4): 451-454. doi: 10.1364/OL.40.000451 [153] Grafenstein L V, Bock M, Steinmeyer G, et al. Taming chaos: 16 mJ picosecond Ho: YLF regenerative amplifier with 0.7 kHz repetition rate [J]. Laser & Photonics Reviews, 2016, 10(1): 123-130. [154] Hinkelmann M, Wandt D, Neumann J, et al. Ultrashort pulse CPA-free Ho: YLF linear amplifier[C]//Solid State Lasers XXVII: Technology and Devices, 2018. [155] Murari K, Zhou F, Yin Y, et al. Ho: YLF amplifier with Ti: Sapphire frontend for pumping mid-infrared optical parametric amplifier [J]. Applied Physics Letters, 2020, 117(14): 141102. doi: 10.1063/5.0021438 [156] Astrauskas I, Považay B, Baltuška A, et al. Influence of 2.09-μm pulse duration on through-silicon laser ablation of thin metal coatings [J]. Optics & Laser Technology, 2021, 133: 106535. -
点击查看大图
图(10) / 表(5)
计量
- 文章访问数: 477
- HTML全文浏览量: 188
- PDF下载量: 133
- 被引次数: 0
