包层泵浦低量子亏损光纤激光器：“组合拳”给光纤激光器“降降温”

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高功率光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、工作稳定可靠等优点，引起了人们的广泛关注，并在多个领域得到了应用。然而，稀土掺杂光纤激光器作为高功率光纤激光器的重要支柱，当功率增加到千瓦级时，有源光纤中的余热积累给系统带来了严峻挑战。量子亏损是增益光纤中的热源之一，会在光纤激光器内部产生严重的热效应。

国防科技大学前沿交叉学科学院马小雅、许将明、叶俊、周朴等人基于掺磷光纤玻色峰提供的拉曼增益构建包层泵浦低量子亏损拉曼光纤激光器，在优化激光器谐振腔反馈强度、拉曼增益光纤长度等系统参数的基础上，实现量子亏损低至0.78%的包层泵浦拉曼光纤激光输出。相关研究成果作为主编推荐文章发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第2期（Xiaoya Ma, Jiangming Xu, Jun Ye et al. Cladding-pumped Raman fiber laser with 0.78% quantum defect enabled by phosphorus-doped fiber[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(2): 020000e8）。

拉曼光纤激光器结构如图1所示。泵浦光由一台波长可调谐的放大自发辐射 (ASE) 源提供，经高功率环形器保护后注入激光器谐振腔。谐振腔由一对中心波长为1086.5 nm的光纤布拉格光栅（FBG）和一段纤芯/内包层直径分别为10 μm和20 μm的掺磷光纤（PDF）构成。

图1 激光器结构示意图

研究人员首先比较了纤芯泵浦和包层泵浦时激光器输出特性。纤芯泵浦和包层泵浦方案分别采用尾纤纤芯直径为10 μm和20 μm的环形器开展实验。实验中，根据测量得到的玻色峰频移量（约3.6 THz），ASE中心波长设定为1072.5 nm，掺磷光纤长度为1 km，低反光栅反射率为10%。输出激光功率演化特性如图2（a）所示，相比于纤芯泵浦方案，包层泵浦获得的低量子亏损拉曼光纤激光的产生阈值和最大输出功率都更高一些。

图2 包层泵浦与纤芯泵浦时的（a）输出拉曼激光功率演化曲线和（b）55 W泵浦功率时的输出光谱

相同泵浦功率条件下输出光谱特性如图2（b）所示。可以看出，包层泵浦时输出激光线宽比纤芯泵浦方案更窄一些，这是由于信号光在光纤纤芯内的分布不同造成的——包层泵浦时泵浦光的转化发生在增益光纤中更靠近输出端的位置，信号光沿光纤传输更短的距离即可从激光器的尾纤输出，这在一定程度上抑制了信号光在传输过程中的光谱展宽现象的产生。值得注意的是，在1100 nm附近出现了新的波长成分，这是拉曼辅助三波混频效应形成的；包层泵浦方案中的1100 nm激光归一化强度比纤芯泵浦稍高一些，是包层泵浦情况下剩余泵浦功率较大、三波混频效应更强导致的。此外，输出光谱中有波长为1132 nm附近的成分，这是泵浦激光通过掺磷光纤中硅基拉曼峰（频移为14.7 THz）的增益转化而来的。纤芯泵浦情况下在光纤纤芯内传输的泵浦光具有更高的功率密度，因此其产生的1132 nm激光归一化强度相比包层泵浦更高。综上，包层泵浦方案有利于抑制线宽展宽和高阶受激拉曼散射，具有更大的功率提升空间。

在此基础上，研究了谐振腔低反光栅反射率、掺磷光纤长度对激光器输出特性的影响，将低反光栅反射率优化为19%、掺磷光纤长度优化至400 m，此时激光器可实现47.7 W最高功率输出，对应量子亏损为1.29%。进一步增大泵浦波长发现，随着量子亏损的减小，产生激光的阈值增大，这是玻色峰在拉曼频移减小的过程中对应的增益系数降低造成的，如图3(d)所示。最终将泵浦波长调谐为1078 nm时，实现23.7 W信号光输出，对应的量子亏损低至0.78%。

图3 激光器在不同（a）谐振腔反馈强度、（b）掺磷光纤长度和（c）量子亏损条件下输出信号光的功率演化曲线；（d）掺磷光纤的增益特性

拉曼光纤激光器具有无光子暗化、波长调谐灵活等优点，而包层泵浦拉曼光纤激光器相比纤芯泵浦方案可有效降低对泵浦亮度的要求，目前已成功实现千瓦量级功率输出。在高功率运行条件下量子亏损是光纤激光器热负载的重要来源之一，可在激光器运转过程中引起热透镜、热致模式不稳定等效应。

国防科技大学周朴研究员、许将明副研究员所在团队提出将掺磷光纤中因振动态密度过剩而存在的玻色峰运用到拉曼光纤激光器中，在前期理论分析、泵浦优化和验证性实验的基础上（Photon. Res., 8:1155-1160, 2020; Opt. Lett., 46: 2662-2665, 2021; Opt. Lett., 47: 1109-1112, 2022），实现量子亏损低至0.78%的包层泵浦拉曼光纤激光输出。据我们所知，这是包层泵浦拉曼光纤激光器首次实现量子亏损小于1%输出，可为高功率光纤激光器性能提升提供参考。下一步工作中，将开展光纤优化设计、探索增益竞争抑制方法，以实现高功率包层泵浦低量子亏损拉曼激光输出。

编辑 | 周琦雅

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