泵浦源、增益物质和谐振腔是构成激光器的三要素。由于谐振腔对激射频率的选择作用，多纵模运转是基于传统谐振腔结构的光纤激光器的特性之一，表现为射频(radio frequency, RF)谱上周期性的拍频峰和时域上强度序列的周期性波动，并且激光纵模的频率间隔由谐振腔长确定。然而，离散的多纵模结构也为一些基于激光的应用带来了困扰。例如，在基于激光器的光学传感系统中，通过相移光栅等传感元件获得的单频信号峰在随温度、应变等传感参数发生频率移动时，只能在离散的纵模之间跳转而无法实现连续的频移。因此，离散的纵模限制了这类光学传感器的最高分辨率。此外，在基于硬件加密技术的保密通信中，谐振腔反馈引入的光信号的时域周期性波动会泄露激光腔的长度信息，降低保密光通信的安全性。而在基于激光强度波动的超高速随机比特序列生成中，时间周期波动会导致信号重复，从而弱化了生成序列的随机性。同时，多纵模光纤激光器似乎不可能实现与单频激光器一样极低的相对强度噪声。
近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心舒学文教授团队提出了一种无模式的拉曼光纤激光器(Raman fiber laser, RFL)。激光器采用传统的谐振腔结构，但是输出腔镜采用了一个具有超低反射率的光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)。由于调制不稳定性，随着腔内Stokes波功率的增加，腔内纵模逐渐展宽，最终覆盖纵模间距，导致相邻纵模相互重叠，呈现出一种无模式运转的状态。相关研究结果以“Modeless Raman fiber laser”为题，发表于《Optica》2023年第10卷第8期。
无模式RFL的结构如图1所示。为了避免由泵浦源向拉曼激光的相对强度噪声传递，泵浦源采用实验室自行搭建的ASE光源，中心波长1540nm，最大输出功率10.3 W。输出光栅采用一个超低反FBG，反射率为-27 dB。
激光纵模的情况可通过RF谱来反映。图2(a)显示了在不同激光输出功率下实验测量的拉曼激光器的RF谱。在低功率水平下，RF谱上具有显著的特征峰。但随着Stokes波功率的增大，与腔长相关的周期性拍频峰逐渐展宽并且峰的高度变小。当激光输出功率达到5.71 W时，RF谱上不再有可分辨的周期性拍频峰。这意味着激光的离散多纵模将随着功率的增加而逐渐展宽，并逐渐覆盖纵模间距，最终纵模完全重叠。在这种情况下，RFL不再像传统激光那样具有离散的纵模结构，而是产生类似于ASE光源的准连续光谱。
研究团队利用广义非线性薛定谔方程对拉曼光纤激光器中光场随激光输出功率的演变进行了模拟，得到RFL的射频谱如图2(b)所示。仿真结果显示，周期性的拍频峰随着功率的增加逐渐消失，与实验测量结果基本一致。
由于无模式的拉曼光纤激光器生成准连续的光谱，将其用于激光传感系统，可以实现连续的调频，从而显著提高光学传感器的分辨率。同时，RF谱上拍频峰的消失意味着激光辐射不再有与谐振腔长对应的时域周期性，这在保密通信、随机序列生成以及时域鬼成像领域具有巨大的应用潜力。同时，与传统激光器相比，所搭建的无模式拉曼光纤激光器具有极低的相对强度噪声。该研究工作得到了国家重点研发计划(2018YFE0117400)、国家自然科学基金(62275093)和欧盟H2020 MSCA RISE项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.488920
图1. 无模式RFL结构示意图
原标题：无模式拉曼光纤激光器
