光纖激光器具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及柔性傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，在航空航天、交通運(yùn)輸、新能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。得益于高功率泵浦源和光纖器件制造技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，光纖激光器的輸出功率不斷提升。然而，當(dāng)激光功率達(dá)到千瓦級(jí)甚至更高水平時(shí)，光纖內(nèi)的熱效應(yīng)逐漸凸顯，成為限制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。其中，量子虧損是高功率光纖激光器熱負(fù)載的主要來(lái)源。量子虧損源于泵浦光與信號(hào)光之間的能量差，這部分能量差在激光轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)以熱的形式沉積在光纖中，從而引發(fā)熱致模式不穩(wěn)定、光束質(zhì)量退化以及光纖損傷等問(wèn)題。因此，降低量子虧損被認(rèn)為是減小系統(tǒng)熱負(fù)載、提升激光器穩(wěn)定性，并最終實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的關(guān)鍵途徑。

       近年來(lái)，研究人員圍繞低量子虧損光纖激光開展了大量研究。例如，通過(guò)級(jí)聯(lián)泵浦方案或優(yōu)化稀土摻雜光纖材料組分來(lái)減小泵浦與信號(hào)波長(zhǎng)之間的能量差。然而，由于傳統(tǒng)稀土摻雜光纖的吸收和發(fā)射譜受到離子能級(jí)結(jié)構(gòu)的限制，在保持高功率輸出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低量子虧損仍然面臨較大挑戰(zhàn)。另一方面，基于受激拉曼散射機(jī)制的拉曼光纖激光器具有波長(zhǎng)可擴(kuò)展和結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢(shì)，為實(shí)現(xiàn)低量子虧損激光輸出提供了新的技術(shù)路徑。因此，探索新的拉曼增益機(jī)制并實(shí)現(xiàn)低量子虧損高功率輸出，成為當(dāng)前光纖激光領(lǐng)域的重要研究課題之一。

       針對(duì)高功率光纖激光中由于量子虧損帶來(lái)的熱負(fù)載問(wèn)題，國(guó)防科技大學(xué)周樸研究員、許將明副研究員團(tuán)隊(duì)開展了低量子虧損拉曼光纖激光技術(shù)研究。此前的研究結(jié)果表明，摻磷光纖中存在由材料局域振動(dòng)模式引起的玻色峰，該結(jié)構(gòu)可在低頻移區(qū)域提供拉曼增益，為實(shí)現(xiàn)低量子虧損激光輸出提供了新的思路。在此基礎(chǔ)上，本工作進(jìn)一步探索在保持低量子虧損條件下實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。

       與傳統(tǒng)石英光纖相比，摻磷光纖除了具有常規(guī)的13.2 THz拉曼增益峰外，還在約3.6 THz低頻移區(qū)域存在玻色峰增益。在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)搭建了一套基于摻磷光纖的高功率拉曼光纖放大器系統(tǒng)。系統(tǒng)采用時(shí)域穩(wěn)定且波長(zhǎng)可靈活調(diào)諧的超熒光光纖光源分別作為泵浦源和種子源，通過(guò)光譜濾波與功率放大獲得穩(wěn)定輸出。泵浦光與種子光經(jīng)波分復(fù)用器后共同注入放大級(jí)，隨后在摻磷光纖中通過(guò)受激拉曼散射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)1087 nm信號(hào)光的高功率放大。

圖1 千瓦級(jí)超低量子虧損拉曼光纖激光器實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

       在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究了泵浦波長(zhǎng)調(diào)諧對(duì)激光器輸出性能的影響。通過(guò)固定信號(hào)光波長(zhǎng)為1087 nm，并調(diào)節(jié)泵浦光中心波長(zhǎng)，使泵浦與信號(hào)光之間的頻移接近摻磷光纖玻色峰的增益位置，從而在保持低量子虧損的同時(shí)獲得較高拉曼增益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)泵浦波長(zhǎng)為1078 nm、摻磷光纖長(zhǎng)度為120 m時(shí)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高1250 W的信號(hào)光輸出，對(duì)應(yīng)量子虧損僅為0.83%，成功實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)超低量子虧損拉曼光纖激光。

圖2 泵浦波長(zhǎng)為1078 nm 時(shí)的輸出光譜及功率曲線。（a）最大功率下的輸出光譜；（b）不同泵浦功率下的光譜演化；（c）功率演化曲線

       在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)優(yōu)化參數(shù)探索更高功率輸出能力。通過(guò)縮短摻磷光纖長(zhǎng)度至90 m、并調(diào)節(jié)泵浦波長(zhǎng)至1075 nm，實(shí)現(xiàn)了1543 W的信號(hào)光輸出，對(duì)應(yīng)量子虧損為1.1%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理匹配玻色峰與實(shí)際的泵浦-信號(hào)光頻移并優(yōu)化光纖長(zhǎng)度，可以在保持低量子虧損的同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高功率輸出。

圖3 摻磷光纖長(zhǎng)度為90 m時(shí)的（a）最大信號(hào)光功率條件下的光譜圖；（b）光譜演化圖；（c）功率演化曲線

       總體而言，該研究在已有玻色峰拉曼增益機(jī)制研究的基礎(chǔ)上，兼顧實(shí)現(xiàn)了高功率與低量子虧損，成功獲得千瓦級(jí)超低量子虧損光纖激光輸出。相比傳統(tǒng)高功率光纖激光器，該方案能夠顯著降低系統(tǒng)熱負(fù)載，可為實(shí)現(xiàn)更高功率、更低熱負(fù)載的光纖激光器提供重要參考。

       團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步圍繞摻磷光纖中玻色峰的形成機(jī)理開展研究，探索玻色峰頻移位置及其增益特性的調(diào)控方法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化光纖材料組成和制備工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻色峰特性的有效調(diào)控，制備出具有更低頻移拉曼增益特性的光纖，從而進(jìn)一步降低量子虧損并提升光纖激光的輸出功率。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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