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短波红外光纤激光器因其光束质量好、转换效率高、结构紧凑且高度稳定等特点，在通信、传感、激光加工等领域取得了丰硕的成果[1-4]。1.7 μm波段(1.6 μm~1.8 μm)被认为是优良的激光源，由于该波段覆盖了C—H共价键及多种有机物的吸收峰[5]，被广泛应用于含有大量C—H键的有机物检测，如甲烷浓度的检测、一氧化氮和乙醇等化工原料的检测、聚合物的焊接加工等[6-8]；该波段处于水分子2个吸收峰之间的低谷[9]，所以对含有大量水分子的生物组织而言，水的低吸收导致该波段入射光能量损耗相对低[10]；该波段同样处于脂质的吸收高峰[9]，而脂类是人体内重要的内源性物质，是鉴别致命的慢性疾病如动脉粥样硬化和心肌梗死的主要对比剂，因此，1.7 μm波段被广泛应用于医疗和生物成像[11-16]，如对富含脂质样品的多光子荧光显微成像(multi-photon fluorescence microscope，MFLM)[17]、光声显微成像(photoacoustic microscopy，PAM)[18]、光学相干层析成像(optical coherence tomography，OCT)[11]等。此外，由于2 μm~5 μm波段中红外激光在激光加工和激光通信等方面发展迅速，1.7 μm波段高能抽运源同样受到了国内外研究者的广泛关注。因此，1.7 μm波段光源备受瞩目，具有十分广阔的发展前景。
目前，国内外实现1.7 μm激光输出主要有以下3种方法[19]：(1)基于传统掺铥光纤。通过抽运掺铥光纤(thulium-doped fiber，TDF)或铥钬共掺光纤(Tm-Ho-codoped fiber，THDF)，利用布喇格光栅，单模-多模-单模等进行滤波得到1.7 μm波段激光；(2)基于特殊掺杂光纤。通过抽运掺铋光纤(Bi-doped fiber，BDF)或铥铽共掺光纤直接得到1.7 μm波段激光输出；(3)基于非线性效应。通过受激喇曼散射和光学参量振荡等非线性效应将其它波段的光非线性频移到1.7 μm波段。值得一提的是，通过抽运空心光纤得到1.7 μm波段激光输出区别于抽运传统非线性实心光纤产生喇曼频移的一种新的高效手段。方法(1)的商用TDF由于研制较为成功、价格相对低廉、方便获取，全光纤TDF激光器发展较为全面，研究较为深刻，但是仍旧存在不足，如铥离子在1.7 μm波段增益较低，经过滤波器滤波后功率和斜效率受限；方法(2)虽然可以摒弃滤波器直接得到1.7 μm激光输出，但特殊掺杂离子光纤价格昂贵，获取不易，刚处于起步阶段鲜有研究；方法(3)由于低转换效率、低喇曼增益和复杂的器件结构，限制了喇曼光纤激光器的发展，抽运充气空心光纤虽然能得到高效激光输出，但由于光纤气密性不佳，会造成一定损耗且输出不稳定，实用性不佳，仍在实验室研究阶段。
2016年，长春理工大学ZHANG等人总结了关于1.7 μm波段光源的研究进展[19]。2022年，国防科技大学讨论了1.7 μm波段激光产生技术方案的特点，着重报道了基于空芯光纤的气体喇曼激光技术[20]。华南师范大学综述了近期1.7 μm波段超快光纤激光器的研究进展[21]。经过近几年的发展，1.7 μm波段光源有了新的产生方案，且在输出功率、转换效率、脉冲宽度、脉冲能量以及应用研究等各个方面均已取得突破性进展。本文中详细阐述了国内外1.7 μm波段光纤激光器近5年来的研究进展及应用研究，以及长春理工大学在该领域的工作，包括1.7 μm波段宽带光源、1.7 μm波段光纤激光器，以及1.7 μm波段光源相关应用，并根据研究现状合理展望了1.7 μm波段光纤光源未来的发展前景。
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2004年，丹麦技术大学AGGER等人首次抽运掺铥光纤得到1735 nm单频激光输出[22]。近10年来，1.7 μm波段激光器在性能及应用方面得到了突飞猛进的发展，逐渐成为国际研究热点。除光纤激光器外，1.7 μm波段非光纤激光器[23-25]、1.7 μm波段放大器[26-30]及宽带光源[31-32]同样取得了一定成果。
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目前，抽运掺铥离子光纤是实现1.7 μm波段激光最常见的手段，但掺铥光纤在1.65 μm~1.8 μm短波工作表现出强烈的三能级行为[33]，需要高粒子数反转才能达到激光阈值，且需要一种合适的波长选择技术来抑制发射峰处的激光[34-36]。近5年来，该波段激光器在效率和输出上均得到了一定程度的提升。2018年，PARK等人采用1565 nm连续激光器抽运1.3 m长的铥钬共掺光纤且通过布喇格光纤光栅进行滤波，实现了平均功率达到百毫瓦、且斜率效率为23%、中心波长1706.3 nm的连续激光输出[37]。2019年，BURNS等人通过对掺铥光纤进行纤芯抽运得到斜率效率高达80%，证明了掺铥光纤激光器在1726 nm下的高功率短波长工作[38]。实验结构和结果如图 1所示。
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2015年，俄罗斯科学院用掺铋的高锗光纤研制了波长为1.7 μm的连续波区的瓦级全光纤激光器[39]，且报道了掺铋光纤和光纤激光器在1600 nm~1800 nm光谱范围内发展的最新结果[40]。2018年，FIRSTOV等人总结了光谱范围在1600 nm~1800 nm的掺铋光纤激光器[41]。2019年，麦吉尔大学NEMOVA等人对工作在1.7 μm波长范围内的双波长级联腔掺铋光纤激光器进行了全面的理论研究，通过级联两个反射率不高的光纤布喇格光栅(其中一个峰值反射率为95%的，以1.725 μm为中心；第2个峰值反射率为90%，以1.729 μm为中心)实现了双波长连续激光输出[42]。实验结构和结果如图 2所示。
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非线性效应也是产生1.7 μm波段光输出的有效手段，通过基于受激喇曼散射及孤子自频移等方法可突破抽运掺杂稀土光纤受到波长限制这一问题，获得任意波长的激光输出。2019年，THOUROUDE等人通过抽运单模光纤，实现了在1650 nm~1680 nm的光谱范围喇曼光纤激光器(Raman fiber laser，RFL)光源，最大输出功率可达6.25 W[43]。同年，THOUROUDE等人展示了一种在1540 nm处抽运掺铒光纤的1阶随机喇曼光纤激光器[44]，在1650 nm处的最高输出功率为9.2 W，转换效率为74%。实验结果如图 3所示。
表 1为国外1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展。
表 1 国外1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展
Table 1. Research progress in foreign 1.7 μm band continuous fiber laser
技术手段 抽运波长/nm 输出波长/nm 输出功率/mW 效率/% 激光腔型 年份 国家 参考文献 THDF 1565 1706.3 249 23 线性腔 2018 韩国 [37] TDF 1580 1726 47000 80 线性腔 2019 英国 [38] BDF 915 1705 1050 33 线性腔 2018 俄罗斯 [41] BDF 1550 1725，1729 0.6，1.1 — 线性腔 2019 加拿大 [42] 非线性效应 1532~1560 1655，1679 6250，5000 — — 2019 法国 [43] 非线性效应 1540 1650 9250 — — 2019 法国 [44] -
1.7 μm波段脉冲光纤激光器随着1.7 μm波段连续光纤激光器的不断成熟，同样得到了快速发展，取得一定成果。光纤激光器产生超短脉冲的机理有两种：Q开关[45-46]和锁模[47-49]。Q开关技术产生的脉宽通常为纳秒级，而锁模技术产生的脉宽可达到飞秒级。早在2013年，美国亚利桑那大学NGUYEN等人通过抽运大模场晶体光纤实现了可调谐范围为1600 nm ~1780 nm、脉冲宽度为100 fs的1.7 μm波段脉冲激光器[50]。
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2016年，NORONEN等人研制了1705 nm~1805 nm的可调谐谐波锁模激光器[51]，该光源利用铥钬共掺光纤作为增益元件，利用频移反馈和非线性偏转技术(nonlinear polarization rotation，NPR)，在1735 nm处获得宽度为630 fs的最短脉冲。2017年，汉堡大学CHUNG等人基于NPR技术在31 MHz重复频率下运行自制5 W掺铒光纤激光器[52]，获得了可在1.3 μm~1.7 μm范围内连续调谐的飞秒脉冲，脉冲能量大于4.5 nJ。
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2018年，俄罗斯科学院KHEGAI等人设计了1.7 μm波段带有非线性放大环镜(nonlinear amplifying loop mirror，NALM)的8型腔激光器[53]，在重复频率为3.57 MHz下，产生宽度为17 ps、能量为84 pJ的脉冲。实验结构和结果如图 4所示。
2021年，新加坡南洋理工大学CHEN等人提出了一种W型掺铥光纤1.7 μm波段高能飞秒脉冲激光器[54]，在1.7 μm~1.8 μm区域获得174 fs的稳定脉冲，脉冲能量最高为128 nJ。
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2019年，法国萨克雷大学通过抽运非线性光纤产生了从1700 nm~2050 nm连续可调谐飞秒脉冲，实现了脉冲宽度在150 fs以下，转换率大于50%、全光纤保偏可调谐脉冲激光器[55]。
2020年，GRIMES等人演示了工作在1.7 μm波段的级联喇曼光纤激光器[56]，在1692 nm实现了功率高达104 W的连续激光输出，激光器产生的喇曼激光脉冲范围从11.5 mJ(脉冲宽度为100 μs)~10 J(脉冲宽度为100 ms)，平均功率高达23 W。
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2020年，新加坡南洋理工大学CHEN等人利用半导体可饱和吸收镜(semiconductor saturable absorber mirror，SESAM)实现了中心波长为1755 nm的高能脉冲激光器[57]，峰值功率输出为12.1 kW，测量脉冲宽度为2.76 ps，能量为32.7 nJ。实验结构和结果如图 5所示。
表 2为国外1.7 μm波段脉冲激光器研究进展。
表 2 国外1.7 μm波段脉冲激光器研究进展
Table 2. Research progress in foreign 1.7 μm band pulse laser
抽运波长/nm 重复频率/MHz 输出波长/nm 脉冲产生方式 脉冲能量 脉宽 年份 国家 参考文献 1556 232.6~554.6 1735 NPR 21 pJ 630 fs 2016 芬兰 [51] 1030 31 1300~1700 NPR 10.6 nJ 85 fs 2017 德国 [52] 1157 3.57 1700 NALM 84 pJ 17 ps 2018 俄罗斯 [53] 1570 7.82 1785 NALM 128 nJ 174 fs 2020 新加坡 [54] 976 40 1700~2050 非线性效应 1 nJ 150 fs 2019 法国 [55] 1117 — 1700 非线性效应 11.5 mJ~10 J 100 μs~100 ms 2020 丹麦 [56] 1565 5.5 1755 SESAM 32.7 nJ 2.76 ps 2021 新加坡 [57] -
2015年，国防科技大学XUE等人通过抽运铥钬共掺光纤实现可调谐波长范围为1727 nm~2030 nm的环形光纤激光器[58]，由于腔内没有波长限制，其可调谐范围达到300 nm，是迄今为止报道的全光纤稀土掺杂激光器的最宽调谐范围。实验结构和结果如图 6所示。
2017年，中国科学院西安光学精密机械研究所设计了一种基于双向抽运和光纤布喇格光栅的线形腔连续激光器[59]，其输出波长为1706.75 nm，功率为3.15 W。天津大学学者在1.7 μm波段激光器方面也做了一些研究：2020年，ZHANG J X等人搭建了1.7 μm波段全光纤激光器，采用1570 nm激光器抽运掺铥光纤，并通过波分复用器(wavelength division multiplexer，WDM)和单模-多模-单模等结构抑制掺铥光纤的长波增益，获得了1720 nm激光输出[60]；ZHANG L等人建立了一种环形腔结构的全光纤激光器[61]，利用布喇格光纤光栅进行滤波，在6 W发射抽运下，实现了中心波长为1720 nm、功率为2.36 W激光输出，实验结构和结果如图 7所示；2021年，ZHANG J X等人通过抽运掺铥光纤实现了首个有效1.7 μm波段单频光纤激光器[62]，输出功率达到407 mW；同年，ZHANG L课题组证明了一种高效的高功率单频掺铥光纤环形激光器[63]，工作波长为1720 nm，通过加入光纤布喇格光栅，实现了单纵模工作，在3.75 W发射抽运功率下，最大单频输出功率可达1.11 W，斜率效率为46.4%；该课题组还介绍了一种有效的1.7 μm掺铥光纤激光器[64]，实现了双向抽运，并且开发了一个速率方程模型以优化光纤长度和输出耦合，实验在抽运功率为10 W的情况下，获得了中心波长为1720 nm、最大输出功率为1.13 W的激光输出。2021年，华南理工大学CEN等人对1.7 μm波段的短波长分布布喇格反射(distribution Bragg reflector，DBR)单频光纤激光器进行了实验研究[65]，实现了工作波长为1727 nm、信噪比大于60 dB稳定的单纵模激光输出。
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2019年，国防科技大学ZHANG等人实现了一种1.7 μm波段可调谐随机喇曼光纤激光器[66]，实验通过利用1550 nm的自发放大辐射(amplified spontaneous emi-ssion，ASE)光抽运喇曼光纤得到波长为1715 nm、输出功率为14.5 W，且光谱纯度达到98%的激光输出。实验结构和结果如图 8所示。
表 3为国内1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展。
表 3 国内1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展
Table 3. Research progress in domestic 1.7 μm band continuous fiber laser
技术手段 抽运波长/nm 输出波长/nm 输出功率/W 效率/% 激光腔型 机构 年份 参考文献 THDF 1550 1727~2030 0.408 42.6 环形腔 国防科技大学 2015 [58] TDF 1550 1706.75 3.15 42.1 线性腔 西安光机所 2017 [59] TDF 1570 1720 0.121 5.7 环形腔 天津大学 2020 [60] TDF 1570 1720 2.36 50.2 环形腔 天津大学 2020 [61] TDF 1570 1720 0.407 22.7 环形腔 天津大学 2020 [62] TDF 1570 1720 1.11 46.4 环形腔 天津大学 2020 [63] TDF 976 1720 1.13 13.5 线性腔 天津大学 2020 [64] TGF 1610 1727 0.0124 4.81 线性腔 华南理工大学 2021 [65] 非线性效应 1550 1715 14.5 — 线性腔 国防科技大学 2021 [66] -
2017年，上海交通大学FANG等人基于抽运色散位移光纤(dispersion shifted fiber，DSF)产生1.7 μm波段的超短脉冲[67]，通过优化DSF长度，在1.70 μm~1.74 μm范围内实现了低于200 fs的脉冲，转换效率为76%，最大输出功率为26.8 mW，单脉冲能量可达0.7 nJ。2021年，国防科技大学PEI等人首次证明了一种具有全光纤结构的可调谐脉冲1.7 μm波段光纤喇曼激光器[68]，通过抽运9 m充氢气(H2)的空心晶体光纤(hollow core photonic crystal fiber，HC-PCF)获得输出功率为1.63 W的1.7 μm波段激光发射。LI等人通过抽运9 m长的充H2的HC-PCF，得到中心波长为1705 nm、功率为3.3 W、调谐范围为1693 nm~1705 nm的输出，且仿真结果与实验结果相符，实现了重复频率为1.3 MHz、脉冲宽度约为15 ns、斜率效率为84%的脉冲光纤激光器[69]，结构和实验结果如图 9所示。2021年，PEI等人通过优化实验结构实现了1.7 μm脉冲光纤气体喇曼激光振荡器[70]，当重复频率为6 MHz、脉宽为30 ns时，在1693 nm处获得了1.5 W的最大喇曼功率。
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2021年，华南师范大学CHEN等人通过抽运3.3 m掺铥光纤，利用NPR技术实现中心波长位于1746 nm，10 dB光谱宽度约为17 nm、重复频率为17.84 MHz、输出功率为3.55 mW、脉冲宽度为3.9 ps的脉冲光纤激光器[71]。结构和实验结果如图 10所示。
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2018年，厦门大学DU等人演示了基于新型模间拍频调制(intermode-beating modulation，IM)技术，利用抽运THDF的1.7 μm波段光纤脉冲激光器[72]，其中心波长为1781.5 nm，3 dB线宽为1.5 nm，当重复频率为145 kHz时，最小脉冲宽度为1.4 s，输出功率为3.4 mW。
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2020年，西北大学的HE实现了1.7 μm波段全保偏飞秒光纤激光输出[73]，其平均功率为35 mW，中心波长为1.7 μm，脉冲宽度为368 fs，光光转换效率为66%。实验结构和结果如图 11所示。
表 4为国内1.7 μm波段脉冲光纤激光器的研究进展。
表 4 国内1.7 μm波段脉冲光纤激光器研究进展
Table 4. Research progress in 1.7 μm band pulse fiber laser in China
抽运波长/nm 重复频率/MHz 输出波长/nm 脉冲产生方式 脉宽 输出功率/mW 年份 机构 参考文献 1600 38.8 1700~1740 非线性效应 200 fs 26.8 2017 上海交通大学 [67] 1540~1550 1 1693~1705 非线性效应 10 ns 1630 2021 国防科技大学 [68] 1540~1550 1.3 1693~1705 非线性效应 13 ns 3300 2021 国防科技大学 [69] 1540 6 1693 非线性效应 30 ns 1500 2021 国防科技大学 [70] 1560 17.84 1746 NPR 3.9 ps 3.55 2021 华南师范大学 [71] 1211 0.154 1781.5 IM 1.4 μs 3.4 2018 厦门大学 [72] 1560 102 1700 NALM 368 fs 35 2020 西北大学 [73] -
由于1.7 μm波段位于脂肪的吸收峰并处于水的低吸收区，因此对富含脂肪的组织有着重要的靶向作用，1.7 μm波段光源常被用作对脂质成像的光源，脂肪和水的红外光谱如图 12所示。该波段同样覆盖了C—H共价键的吸收峰，也被用作气体检测、有机聚合物加工、原子分子探测等，其中部分聚合物的红外光谱如图 13所示。除了在该波长范围内直接应用光源外，短波长TDF还可以通过抽运掺镝氟化物，得到长波长的中红外激光(4.2 μm~4.7 μm)输出[74-84]。另外，随着现有的通信波段日趋饱和，1.7 μm波段也会在通信领域大放异彩[76-78]。
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2016年，法国里昂大学ANSELMO等人利用1.7 μm波段光学相似吸收光谱检测甲烷浓度[79]。2017年，ZHU等人利用中心发射波长为1.7 μm的DFB激光器作为光源，研制出高效在线氯化氢(HCl)检测装置[80]。2018年，大阪府立大学TANO等人利用多模1.7 μm激光系统对酒精浓度进行了评估，证实了其有效性[81]。实验结构和结果如图 14所示。
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2018年，瑞士电子技术中心VIZBARAS等人报道了基于Ⅰ型锑化镓(GaSb)增益芯片技术的宽调谐扫描波长激光器的最新进展[82]，为1.7 μm~2.5 μm范围激光的发展奠定了新的技术基础。同年，麦考瑞大学MAJEWSKI等人用1.7 μm喇曼光纤激光器抽运具有573 nm连续可调谐输出范围的中红外掺镝氟化物光纤激光器[83]。2020年，中国工程物理研究院QU等人利用1.7 μm和2.3 μm双波长抽运掺镝(Dy)氟化铟(InF3)光纤去除自终止效应，并实现4.3 μm波段中红外激光输出[84]，实验结构如图 15所示。2019年，普罗霍罗夫综合物理研究所DOROSHENKO等人利用光谱为1735 nm的掺铒氟化钇锂晶体(YLF: Er)激光器作抽运源实现了4.4 μm波长输出[85]。
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目前，1.7 μm波段激光器多用于脂质成像，并在生物成像方面取得了丰硕成果。2017年，加州大学LI等人利用中心波长为1.7 μm的血管内光学相干断层成像研究动脉粥样硬化，与典型1.3 μm波段相比，1.7 μm波段成像深度与识别灵敏度显著提高[86]。2018年，密歇根大学BUMA等人演示了波长在1050 nm~1714 nm之间富脂组织的光学分辨力光声显微镜(optical resolution photoacoustic microscope，OR-PAM)[18]，成像样品为富含脂肪的果蝇幼虫。2018年，丹麦技术大学DASA等人提出了一种高效高脉冲能量超连续谱光源[87]，其脉冲能量密度在1650 nm~1850 nm范围内高达25 nJ/nm，并成功地区分了两种不同的脂肪(胆固醇和脂肪组织)，实验结构和结果如图 16所示。2018年，AKHOUNDI等人研制了一种小型多光子内窥镜[13]，利用1700 nm波长飞秒光纤激光器作为激发源，克服了生物组织的散射，降低了对水分的吸收。
2018年，香港大学演示了一种1.7 μm波长可调谐增益开关光纤激光器[88]，并在2019年进一步实现了用于脂质体积光声成像的高能全光纤短波长增益开关掺铥光纤激光器[89]，激光器工作波长为1725 nm，横向分辨率为18.8 μm，轴向分辨率为172.9 μm，实验结构和结果如图 17所示。2020年，香港大学开发近红外波段双照明光学分辨率光声技术显微镜检查，用于提高无标记脂质成像的灵敏度[90]，激光器波长为1750 nm，对富含脂肪的黄油进行成像。2021年，光州科学技术学院YOON等人研制了一种波长为1.7 μm扫描光源的OCT，具有较深的穿透深度和较高的脂类吸收，并对脑肿瘤模型进行了成像[91]。
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2016年，本文作者所在课题组总结了国内外1.7 μm波段光纤光源的研究进展[19]。本课题组在1.7 μm波段宽带增益谱的产生、宽带光源的产生及其应用、连续光纤激光器的技术研究、脉冲光纤激光器技术研究以及1.7 μm波段光纤光源的应用等方面进行了深入的理论研究和实验验证，并取得了一定的研究成果。
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2018年，本课题组通过抽运掺铥光纤(TDF)获得了中心波长为1744 nm、峰值功率为-45 dBm、5 dB谱宽为87 nm的宽带光谱[92]。图 18为实验装置图。当抽运功率为33 dBm时，直接抽运4 m TDF的ASE光谱，如图 19所示。而后通过优化色散补偿光纤(dispersion compensating fiber，DCF)和TDF长度使光谱向短波方向移动并获得最佳输出光谱，如图 20所示。
由于得到的宽带光源输出能量较低、抽运效率不高，在此实验基础上，本课题组基于非线性效应从而产生连续光谱的原理做出如下改进。
实验中采用中心波长为1550 nm的ASE光源作为抽运源，高非线性光纤(high nonlinear fiber，HNLF)和色散位移光纤(DSF)作为增益介质，并利用5 m长掺铒光纤(erbium doped fiber，EDF)吸收残余抽运得到1.7 μm波段宽带光源，峰值功率相对得到了明显提升[92]。实验结构和结果如图 21所示。OC表示光学元件(optical component)。
此外，课题组基于级联调制器抽运源实现了1.7 μm波段宽带光源[93]，得到20 dB谱宽约为419 nm的宽带光源，实验装置和输出光谱如图 22所示。
综上所述，所得到的宽带光源中心波长达到了1.7 μm波段，虽然相较改进前的峰值功率有了提高，但输出功率仍然较低，本课题组仍会在以后的实验研究中考虑如何提高输出功率，提高转换效率，获得高性能激光器。
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在1.7 μm波段宽带光源的基础上，本课题组通过加入Sagnac环进行滤波，实现了输出波长为1.7 μm波段的可调谐多波长喇曼光纤激光器[94]，实验装置如图 23所示。
Sagnac环滤波器具有梳状滤波的作用，用于实现多波长激光输出[94]。测量光谱图如图 24所示。单波长激光其峰值波长为1686.24 nm，输出功率为-4.011 dBm，光谱3 dB线宽为0.08 nm。通过增加抽运功率实现了可调谐的双波长激光器，调谐范围为9.72 nm(1654.88 nm~1664.60 nm)，测量双波长激光器的输出功率抖动约为±2 dB。
除利用非线性效应产生1.7 μm波段的增益谱外，本课题组通过抽运3 m TDF并利用光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating，FBG)滤波的方式实现1.7 μm连续光纤激光器[95]。实验结构和输出光谱如图 25所示。激光中心波长为1727.92 nm，3 dB光谱线宽约为0.18 nm，边模抑制比(side-mode suppression ratio，SMSR)约为62 dB。
该激光器具有良好的输出稳定性，在40 min内中心波长的抖动为±0.02 nm，输出功率抖动为±0.01 dBm。但由于较长的掺铥光纤导致产生的1.7 μm波段的增益光被二次吸收，因此该激光器斜效率较低为1.75%，本课题组在后面的实验研究中将会在提高斜效率方面对此激光器作进一步改进。
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在1.7 μm波段连续光纤激光器的基础上，本课题组利用增益开关技术获得重复频率和脉冲宽度均可调谐的1.7 μm波段脉冲激光器[95]。实验装置图如图 26所示。利用函数信号发生器驱动，最后由光电探测器连接示波器观察输出的脉冲波形。
函数信号发生器产生40 kHz方波信号，当抽运功率为31.8 dBm时，得到脉冲宽度为1.2 μs、重复频率为40 kHz稳定的激光脉冲输出[95]。实验结果如图 27所示，输出脉冲光的基频为40 kHz。
本课题组进行了基于同步抽运效应的脉冲激光器实验研究，实验装置的总腔长约为18 m，相应的基本重复频率约为11.39 MHz，通过调节偏振控制器得到稳定的脉冲序列[95]。脉冲激光器输出特性如图 28所示。
通过将调制频率调整为基频的整数倍观察到2次谐波(22.78 MHz)，3次谐波(34.17 MHz)和4次谐波(45.56 MHz)锁模抽运光和输出光脉冲序列如图 29所示[95]。
虽然本课题组实现了1.7 μm波段脉冲光纤激光器，但是由于1.7 μm波段光纤器件的缺失造成一定的腔内损耗，使抽运阈值增加，输出功率较低，同时掺铥光纤在1.7 μm波段增益较低，同样对输出功率带来影响。因此，本课题组通过采用双向抽运1 m长铥钬共掺光纤，利用调制抽运和非线性偏转效应实现了1.7 μm波段调Q锁模混合激光信号产生，并对混合激光信号进行了分析和优化[96]，具体实验结构如图 30所示。通过抽运测得1.7 μm波段连续激光器输出中心波长为1724 nm，斜率效率为0.07%，2.5 W抽运功率下3 dB线宽为0.1 nm，边模抑制比为16.66 dB，实验结果如图 31所示。将抽运功率增加至5 W时实现稳定锁模脉冲序列，得到1.7 μm波段锁模脉冲光纤激光器的输出特性如图 32所示。
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由于1.7 μm波段处于C—H共价键的吸收峰附近且对水的吸收相对较低，乙醇等有机化合物富含大量的C—H共价键，故本课题组利用1.7 μm波段用于乙醇的浓度检测及水雾波形传输实验研究，酒精实验装置如图 33所示，验证了1.7 μm波段对酒精浓度测量的可行性[95]。水雾波形传输实验如图 34所示。结果表明，水雾传输过程中1.7 μm波段光信号比1.5 μm波段功率损耗减少最多4.5 dB[95]。
以上是迄今为止本课题组对1.7 μm波段光源的全部研究，针对1.7 μm波段连续激光器输出功率较低，且腔内损耗斜率效率仅达到1.75%这一问题，后续研究重点课题组倾向于针对提高激光器斜率效率方面做出改善，获得高性能激光器。在1.7 μm波段激光器的应用研究方面，倾向于飞秒脉冲锁模光纤激光器及耗散孤子的产生，对脂质的显微成像研究以及搭建频域OCT系统进行生物成像研究。
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综上所述，1.7 μm波段光源是一个应用广泛，发展前景蓬勃的优秀光源，但与近红外800 nm或1 μm波段激光系统相比，1.7 μm波段激光的发展尚不成熟，有待深入研究。本文中总结了1.7 μm波段激光产生的主要技术方案，1.7 μm波段激光的产生主要依赖于抽运掺铥光纤，目前，英国通过抽运掺铥光纤获得输出功率高达48 W，斜率效率达到80%的激光输出，是目前为止斜率效率及输出功率最高的1.7 μm波段连续光纤激光器。虽然国内的1.7 μm波段掺铥光纤激光器斜率效率达到50%，但输出功率还未突破10 W，与美俄等国家相比尚存在较大差距。国内外1.7 μm波段脉冲激关器均已达到飞秒量级的脉冲输出，但就脉冲能量和输出功率来讲，国内实验室还是与国外有着较大差距。值得一提的是，国防科技大学通过抽运充氢气晶体光纤实现斜率效率为84%的脉冲光纤激光器，是迄今为止斜率效率最高的1.7 μm波段脉冲光纤激光器。
目前国内1.7 μm波段连续激光器的研究主要集中在波长调节和功率调节以及提高斜率效率上，1.7 μm波段光纤光源没有被广泛应用的原因归结为：(1)国内1.7 μm波段激光器效率不高，存在一定损耗，输出功率有限；(2)1.7 μm波段光纤器件并未完全普及，还处于实验室研究阶段，限制了该波段光源的发展。未来，窄线宽、高功率、高效率将会是1.7 μm波段连续光纤激光器的发展趋势，进一步缩短脉冲宽度是1.7 μm波段脉冲激光器发展的主要方向，目前国内1.7 μm波段锁模脉冲很少突破飞秒仍停留在皮秒阶段，对于1.7 μm波段脉冲激光器而言，可基于高平均功率的皮秒抽运源，实现高效率、高脉冲能量、高重频、窄线宽、周期量级的飞秒脉冲宽度的激光脉冲输出。
从近些年来1.7 μm波段激光器的应用发展趋势看，在中红外激光器、激光通信、聚合物加工及气体检测、生物医疗成像等领域都具有更广阔的发展前景。
(1) 在发展高平均功率中红外激光技术方面，设计小型化、集成化的1.7 μm波段抽运源也是很有必要的，利用波长更长、功率更高、效率更好的1.7 μm波段抽运源实现长波长的高效红外激光输出。
(2) 在激光通信领域技术方面，研制1.7 μm波段模式可控光纤激光器可以更好地提高保密性能，应用于大气通信及水下通信方面，激光高亮度的特点在能源利用上也有其独特的优势。
(3) 在聚合物加工及气体检测领域，由于1610 nm和1790 nm之间的C—H键拉伸共振泛音意味着聚合物和其它含碳氢化合物的材料在该波段内具有强吸收，设计窄线宽、波长可调谐、平均功率高的1.7 μm波段光源将在材料加工方面具有独特的优势。
(4) 在医疗及生物成像技术方面，1.7 μm波段多模光纤激光器相关报道较少，尽管传统的单模激光器具有亮度高、效率好和输出方向性强等特点，然而到目前为止，激光还没有被广泛地用作全场成像和显示应用的照明光源。这一局限性的存在是因为现有激光器的高度空间相干性导致相干伪影，如散斑。发展1.7 μm波段多模激光器可以在医学成像领域消除散斑，提高成像分辨率。传统的高速视频显微镜采用低空间相干度，而高空间相干度用于提取流动过程的动态信息。激光相干控制为消除相干伪影提供了一种有效的手段，因此发展1.7 μm波段具有可调谐的空间相干性的照明源是可取的，将会在成像和波前整形方面有新的发展和应用。
随着对相关技术的不断了解和学习，1.7 μm波段光纤激光器在研发和应用方面亟待解决的难题将会被攻克，在激光手术、生物医学、激光通信、有机物检测、中红外激光产生、聚合物加工等领域展现它独特的优势，发挥重大作用造福人类。
1.7 μm波段光纤激光技术研究进展及应用
Progress and applications of 1.7 μm waveband fiber laser
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摘要: 1.7 μm波段有许多分子吸收线, 位于活体组织的透明窗口中。该波段激光源在材料加工、中红外激光产生、气体检测、医疗手术和生物成像等领域有着重要的应用, 受到国内外研究者的重视, 并取得了一些研究成果。总结了国内外1.7 μm波段激光器的研究进展及相关应用, 介绍了长春理工大学在该领域的工作。尽管现有的研究和应用仍面临着一系列问题, 但随着相关技术的不断提高, 1.7 μm波段高性能光纤激光器必将得到快速的发展。Abstract: 1.7 μm waveband covers many molecular absorption lines and is located in the transparent window of living tissue.This band laser source has important applications in material processing, mid infrared laser generation, gas detection, medical surgery, and biological imaging. The research progress and the related applications of 1.7 μm waveband laser were summarized at home and abroad in this paper, and the work of Changchun University of Science and Technology in this field was introduced. Although the research and application of 1.7 μm waveband fiber laser still face a series of problems, it is reasonable to believe that with the continuous improvement of the related technologies, 1.7 μm waveband high-performance fiber laser will develop rapidly.
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Key words:
- laser optics /
- 1.7 μm waveband /
- continuous fiber laser /
- pulsed fiber laser /
- laser application
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表 1 国外1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展
Table 1. Research progress in foreign 1.7 μm band continuous fiber laser
技术手段 抽运波长/nm 输出波长/nm 输出功率/mW 效率/% 激光腔型 年份 国家 参考文献 THDF 1565 1706.3 249 23 线性腔 2018 韩国 [37] TDF 1580 1726 47000 80 线性腔 2019 英国 [38] BDF 915 1705 1050 33 线性腔 2018 俄罗斯 [41] BDF 1550 1725，1729 0.6，1.1 — 线性腔 2019 加拿大 [42] 非线性效应 1532~1560 1655，1679 6250，5000 — — 2019 法国 [43] 非线性效应 1540 1650 9250 — — 2019 法国 [44] 
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表 2 国外1.7 μm波段脉冲激光器研究进展
Table 2. Research progress in foreign 1.7 μm band pulse laser
抽运波长/nm 重复频率/MHz 输出波长/nm 脉冲产生方式 脉冲能量 脉宽 年份 国家 参考文献 1556 232.6~554.6 1735 NPR 21 pJ 630 fs 2016 芬兰 [51] 1030 31 1300~1700 NPR 10.6 nJ 85 fs 2017 德国 [52] 1157 3.57 1700 NALM 84 pJ 17 ps 2018 俄罗斯 [53] 1570 7.82 1785 NALM 128 nJ 174 fs 2020 新加坡 [54] 976 40 1700~2050 非线性效应 1 nJ 150 fs 2019 法国 [55] 1117 — 1700 非线性效应 11.5 mJ~10 J 100 μs~100 ms 2020 丹麦 [56] 1565 5.5 1755 SESAM 32.7 nJ 2.76 ps 2021 新加坡 [57]
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表 3 国内1.7 μm波段连续光纤激光器研究进展
Table 3. Research progress in domestic 1.7 μm band continuous fiber laser
技术手段 抽运波长/nm 输出波长/nm 输出功率/W 效率/% 激光腔型 机构 年份 参考文献 THDF 1550 1727~2030 0.408 42.6 环形腔 国防科技大学 2015 [58] TDF 1550 1706.75 3.15 42.1 线性腔 西安光机所 2017 [59] TDF 1570 1720 0.121 5.7 环形腔 天津大学 2020 [60] TDF 1570 1720 2.36 50.2 环形腔 天津大学 2020 [61] TDF 1570 1720 0.407 22.7 环形腔 天津大学 2020 [62] TDF 1570 1720 1.11 46.4 环形腔 天津大学 2020 [63] TDF 976 1720 1.13 13.5 线性腔 天津大学 2020 [64] TGF 1610 1727 0.0124 4.81 线性腔 华南理工大学 2021 [65] 非线性效应 1550 1715 14.5 — 线性腔 国防科技大学 2021 [66]
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表 4 国内1.7 μm波段脉冲光纤激光器研究进展
Table 4. Research progress in 1.7 μm band pulse fiber laser in China
抽运波长/nm 重复频率/MHz 输出波长/nm 脉冲产生方式 脉宽 输出功率/mW 年份 机构 参考文献 1600 38.8 1700~1740 非线性效应 200 fs 26.8 2017 上海交通大学 [67] 1540~1550 1 1693~1705 非线性效应 10 ns 1630 2021 国防科技大学 [68] 1540~1550 1.3 1693~1705 非线性效应 13 ns 3300 2021 国防科技大学 [69] 1540 6 1693 非线性效应 30 ns 1500 2021 国防科技大学 [70] 1560 17.84 1746 NPR 3.9 ps 3.55 2021 华南师范大学 [71] 1211 0.154 1781.5 IM 1.4 μs 3.4 2018 厦门大学 [72] 1560 102 1700 NALM 368 fs 35 2020 西北大学 [73]
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