封面展現(xiàn)了脈沖單頻光纖放大器的典型結(jié)構(gòu)，通過對窄線寬、低功率的單頻脈沖種子源進行多級放大，采取多種技術(shù)手段克服激光放大過程中的受激布里淵散射、自相位調(diào)制等非線性效應(yīng)，最終實現(xiàn)脈沖單頻激光功率、能量的提升。全光纖脈沖單頻光纖放大器具有結(jié)構(gòu)緊湊、系統(tǒng)集成度高的應(yīng)用優(yōu)勢，結(jié)合激光自身高功率/能量、窄線寬的特點，在激光雷達、遙感等相干探測領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。

一、背景介紹

高功率和高能量脈沖單頻激光源在相干激光雷達、遙感以及光譜分析等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。以相干測風雷達為例，隨著航空、氣象和清潔風能領(lǐng)域的快速發(fā)展，三維風場信息的遠距離、實時、高分辨率探測顯得尤為重要，因此要求測風雷達搭載光源具備高功率/能量、窄線寬以及高光束質(zhì)量等特性。基于光纖波導結(jié)構(gòu)的脈沖單頻激光源在實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量激光輸出的同時，在系統(tǒng)集成性、穩(wěn)定性等方面也展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢，因此得到了廣泛關(guān)注和研究。

考慮到單頻光纖激光振蕩器有限的功率水平，目前高功率和高能量脈沖單頻光纖激光源主要采用主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，在保持激光單縱模運轉(zhuǎn)的同時，實現(xiàn)脈沖激光功率和能量的提升。然而，隨著光纖鏈路的加長和激光功率的提高，單頻激光的窄線寬特性導致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重的受激布里淵散射（SBS）效應(yīng)，這一非線性效應(yīng)不僅消耗信號光功率，而且其產(chǎn)生的反向Stokes光，極易造成激光系統(tǒng)損傷，成為制約脈沖單頻光纖激光放大的主要因素。為此，研究人員提出了一系列技術(shù)手段抑制光纖放大系統(tǒng)的SBS效應(yīng)，以推動脈沖單頻激光功率和能量水平的發(fā)展。

二、關(guān)鍵技術(shù)進展

1、新型有源光纖設(shè)計

鑒于激光功率密度、光纖長度這兩大因素對單頻激光SBS效應(yīng)閾值的影響，增加有源光纖的模場面積、縮短光纖長度，是提升脈沖單頻光纖激光放大能力的主要技術(shù)手段。為此，先后有大模場芯包結(jié)構(gòu)光纖、微結(jié)構(gòu)光纖、錐形光纖以及多組分玻璃光纖等被應(yīng)用于脈沖單頻光纖激光放大系統(tǒng)，實現(xiàn)激光功率和能量的提升。傳統(tǒng)的芯包結(jié)構(gòu)光纖受限于纖芯較高的數(shù)值孔徑，光纖隨著纖芯尺寸的增加表現(xiàn)為少模甚至多模運轉(zhuǎn)，導致激光光束質(zhì)量的下降。對此，研究人員從玻璃體系優(yōu)化角度出發(fā)，探索大模場有源光纖近單模運轉(zhuǎn)的可行性。研究發(fā)現(xiàn)基于P2O5-Al2O3-SiO2（PAS）玻璃體系的摻鉺石英光纖，如圖1（a）所示，在提高鉺離子摻雜濃度的同時，纖芯折射率增幅較低，從而在光纖纖芯直徑達到35 μm的情況下仍可保持近單模特性。基于該大模場摻鉺光纖，研究人員將脈沖寬度為90 ns的1551 nm脈沖單頻激光的峰值功率提高到4 kW水平。

圖1 大模場有源光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計。（a）基于PAS玻璃體系的35/115 μm×115 μm摻鉺石英光纖截面圖；（b）纖芯數(shù)量為39芯、纖芯區(qū)域尺寸為24 μm×32 μm的鉺鐿共摻多芯光纖截面圖；（c）保偏摻鐿錐形光纖截面圖；（d）錐形光纖包層直徑隨光纖長度變化趨勢

相比于芯包結(jié)構(gòu)光纖，微結(jié)構(gòu)光纖在光纖截面上的設(shè)計方面具有更高的自由度，為高功率單模光纖激光器的發(fā)展提供了新的技術(shù)路徑。如圖1（b）所示的纖芯數(shù)量為39芯的鉺鐿共摻多芯光纖，其等效纖芯數(shù)值孔徑僅為0.022，保證了光纖在大模場面積下的單模束縛能力。研究人員利用該光纖放大800 ns的1545 nm脈沖單頻種子，實現(xiàn)了750 μJ的脈沖能量，激光光束質(zhì)量保持在M2~1.3的水平。除了對光纖的橫向結(jié)構(gòu)設(shè)計，光纖縱向尺寸的調(diào)控也被用來提升SBS效應(yīng)閾值。以圖1（c）、（d）所示的錐形光纖為例，通過改變光纖長度方向上的纖芯尺寸，可降低反向Stokes光的增益積累、提升SBS效應(yīng)閾值。利用錐形摻鐿光纖，研究人員獲得了脈沖能量288 μJ、峰值功率2.2 kW的線偏振單頻激光，光束質(zhì)量因子M2僅為1.08。

由于石英光纖在玻璃基質(zhì)折射率調(diào)控能力和稀土離子摻雜濃度等方面存在較強的局限性，研究人員進一步將目光轉(zhuǎn)移到具有高稀土離子摻雜能力和低數(shù)值孔徑的多組分軟玻璃光纖。高稀土離子摻雜濃度下，采用較短光纖即可實現(xiàn)激光功率/能量放大，有力提高了脈沖單頻光纖激光放大系統(tǒng)的SBS閾值；此外，通過玻璃組分精確調(diào)控實現(xiàn)的超低數(shù)值孔徑有利于大模場光纖的單模運轉(zhuǎn)。研究人員利用纖芯直徑為50 μm、數(shù)值孔徑低至0.02~0.04的保偏單摻鉺硅酸鹽光纖，將1.5 μm波段的微秒脈沖單頻激光能量提升到2.2 mJ，超低的纖芯數(shù)值孔徑保證了大模場光纖下激光的近單模運轉(zhuǎn)。

2、溫度和應(yīng)力梯度

光纖放大器中的SBS效應(yīng)建立于反向Stokes光增益沿光纖軸向的快速積累，因此，研究人員提出沿光纖軸向調(diào)控Stokes光增益譜來抑制SBS效應(yīng)的方法。實驗中可對有源光纖施加溫度和應(yīng)力梯度實現(xiàn)對Stokes光頻移的調(diào)控，降低反向Stokes光增益積累，從而達到提高SBS閾值的目的。研究人員在1540 nm脈沖單頻光纖放大器實驗中，通過對功率放大級1.4 m長的25/250 μm保偏鉺鐿共摻光纖施加如圖2所示的應(yīng)力梯度，實現(xiàn)了脈沖能量540 μJ、峰值功率1.08 kW的500 ns脈沖單頻激光輸出。但需指出的是，這一技術(shù)方案在實際應(yīng)用中仍面臨環(huán)境適應(yīng)性、穩(wěn)定性以及系統(tǒng)集成度等問題。

圖2 脈沖單頻激光功率放大級對增益光纖施加的應(yīng)力分布

3、低于聲子壽命的短脈沖放大

考慮到SBS效應(yīng)產(chǎn)生的過程主要涉及信號光與聲學聲子之間的相互作用，由于石英玻璃中聲子壽命接近10 ns，因此，可以采取低于聲子壽命的短脈沖寬度進行單頻激光放大工作，縮短激光脈沖和聲波的互作用時間，從而達到提高SBS閾值的目的。基于<10 ns的短脈沖單頻種子源，一方面研究人員在高脈沖重復頻率（MHz量級）下實現(xiàn)了平均功率達到千瓦量級的脈沖單頻激光放大；另一方面，通過采用kHz量級重復頻率可獲得百千瓦級高峰值功率的脈沖單頻激光（如圖3所示）。

圖3 基于大模場摻鐿石英光纖實現(xiàn)的峰值功率91 kW、脈沖寬度2.4 ns的脈沖單頻光纖激光

三、總結(jié)與展望

脈沖單頻光纖激光放大器在近二十年的發(fā)展過程中，激光峰值功率、脈沖能量、線寬及光束質(zhì)量控制等方面的性能參數(shù)得到了全面提升，在近紅外1 μm、1.5 μm和2 μm波段均得到了廣泛的研究，并基于各波段特點發(fā)展了針對性的技術(shù)方案，實現(xiàn)了峰值功率達百千瓦、脈沖能量達mJ級的脈沖單頻激光。但仍需看到，與固體激光技術(shù)方案相比在能量水平方面仍存在較大差距、SBS效應(yīng)對激光功率和能量提升的制約仍較為嚴重、高功率/能量脈沖單頻光纖激光器對特種玻璃光纖的依賴程度仍然較大。進一步的性能提升仍需綜合考慮光纖增益、非線性效應(yīng)以及激光光束質(zhì)量之間的平衡關(guān)系，充分挖掘新型光纖結(jié)構(gòu)設(shè)計提供的功率、能量提升空間，結(jié)合脈沖自身的時頻域調(diào)控以及光纖、固體相結(jié)合的技術(shù)方案，推動高功率和高能量脈沖單頻光纖激光取得新的突破。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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