【资讯】打破20 W功率纪录！3.5 μm高功率全光纤激光器

  3.5 μm波段的中红外（Mid-infrared，MIR）激光在分子光谱学、微创医疗、聚合物精密加工及大气监测等领域具有重要应用价值。光纤激光器凭借优异的光束质量、紧凑的架构和高效的散热能力，成为该波段极具潜力的光源。然而，实现高功率、长效稳定的全光纤化3.5 μm激光输出仍然面临挑战。其中，高性能中红外光纤光栅（Fiber Bragg Gratings，FBG）的可控制备，以及高功率下FBG热致波长漂移导致的谐振腔内热场与增益场耦合失谐难题，制约了激光器的功率提升与长期稳定输出。

       为解决上述难题，中国科学院西安光学精密机械研究所郭海涛研究员、肖旭升副研究员团队提出并实现了一种基于c直写中红外FBG与主动温控波长匹配技术的高功率中红外全光纤激光系统，成功实现了20.2 W的3.5 μm激光输出。作者在论文中指出，该结果刷新了3.5 μm波段中红外光纤激光器的功率纪录，较此前纪录提升约35.6%。相关成果以“20.2 W monolithic 3.5 μm fiber laser system using actively temperature-tuned femtosecond laser inscribed FBGs”为题发表于Photonics Research 2026年第4期。

该研究的创新点主要包括：

       • 高效双波长泵浦与激光器集成技术协同优化：采用981 nm半导体激光器和1980 nm光纤激光（由793 nm半导体激光器泵浦Tm3+掺杂石英光纤产生）双波长泵浦Er3+掺杂氟化物光纤（激光器光路结构如图1(a)所示），通过优化和调控泵浦合束器光纤尺寸、异质光纤熔接工艺和泵浦配比等，提高了注入泵浦光功率，并有效抑制了激发态吸收（Excited-State Absorption，ESA）与寄生振荡，显著提升了能量转化效率；

       • 高性能中红外光纤光栅飞秒直写技术：在单脉冲形成单一栅区周期的高效逐点法制备中红外FBG的基础上，通过引入狭缝调制光束整形（光栅刻写装置如图1(b)所示），显著增强了折射率调制均匀性，降低了写入飞秒激光功率波动的影响。基于该方法制备的中红外FBG对总引入插入损耗＜0.3 dB（如图1(c)所示）；

       • 高功率下热致失谐的精准热控补偿技术：为了克服窄带中红外FBG对在高功率泵浦下的热致波长失谐难题，团队提出了一种精准热控补偿技术，通过对中红外FBG对进行独立温控，定量调控光栅对间中心波长的相对运动，实现了谐振腔中激光波长的动态匹配和精准锁定。

图1(a) 激光光路示意图；(b) 飞秒激光直写法结合狭缝调制激光束制备FBG示意图；(c) 光纤光栅对透过光谱图

       基于上述技术创新，团队在3550 nm中红外波段实现了20.2 W的激光输出功率，斜率效率达37.2%（测试结果如图2(a)所示），激光光谱如图2(b)所示。在系统稳定性方面，如图2(c)所示，激光器在约12.5 W输出功率下连续运行2小时，功率均方根波动（Root Mean Square，RMS）仅为1.36%；30分钟内波长峰值漂移小于±0.12 nm。光束质量测试结果表明，输出激光M²因子在X方向为1.16，Y方向为1.27，展现出近基模的优异光束特性。

图2 (a) 激光斜率效率图；(b) 激光光谱图；(c) 激光功率稳定性、波长稳定性、光束质量图

       郭海涛研究员指出：“高功率中红外光纤激光器的核心科学问题之一，在于如何实现高热负荷条件下谐振腔内精准的波长匹配。我们的研究证明，采用飞秒激光直写FBG并结合独立温控策略，能够有效解耦高反与低反光纤光栅之间的热响应，从而突破功率提升的瓶颈。”

       肖旭升副研究员补充道：“与被动依赖光栅初始匹配或全局温控不同，我们的主动温控策略实现了对波长失谐的定量补偿，使斜率效率从25.4%提升至37.2%，且未观察到功率饱和现象。这为未来实现30 W以上更高功率的3.5 μm全光纤激光器奠定了重要基础。”

参考文献： 中国光学期刊网

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