Chinese Optics Letters 2023年第9期Editors’ Pick:
随机光纤激光器利用光纤中固有的瑞利散射提供激光振荡所需的反馈，不需要传统激光器中的谐振腔结构，具有结构简单、波长灵活和时域稳定等优点，近年来受到国内外研究人员的广泛关注。已有关于随机光纤激光器的研究报道，主要包括功率/亮度提升、光谱调控、时序控制和模式操控等几个方向。得益于这些研究进展，随机光纤激光器在通信传感、照明成像、随机数生成和非线性频率变换等方面得到了实际应用，极大地提升了这种新型光纤光源的实用价值。
高功率输出是随机光纤激光的重要研究方向之一。一方面，随机光纤激光器可以作为主振荡功率放大(MOPA)系统的种子源实现高功率放大;另一方面，通过缩短光纤长度、增大模场面积、降低纤芯的数值孔径以及采用时域稳定的泵浦源等方式可以有效抑制高阶拉曼光的产生，单级随机光纤激光器的输出功率不断提高，并于2021年实现了1.57 kW高功率输出。但进一步的功率提升却面临新的挑战，以此前报道的千瓦级随机光纤激光器为例，由于光谱展宽超过了高反光栅的反射带宽，一部分回光泄漏到泵浦源中并被放大，产生了数十瓦的高功率后向回光。该现象一方面限制了单向随机激光的输出功率和效率，另一方面也对系统的安全运行构成了威胁。
来自国防科技大学的周朴研究员团队报道了一台2 kW级的随机光纤激光器。他们基于广义非线性薛定谔方程和稳态速率方程，分析了传统结构千瓦级随机光纤激光器中的高功率后向回光的产生机制。相关工作发表于Chinese Optics Letters第21卷第9期(Jun Ye, Yang Zhang, Junrui Liang, Xiaoya Ma, Jiangming Xu, Tianfu Yao, Jinyong Leng, Pu Zhou. 2 kW random fiber laser based on hybrid Yb-Raman gain [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(9): 090004)，该文被遴选为Editors’ Pick。
考虑一台MOPA放大器泵浦的半开腔随机光纤激光器，其典型结构如图1(a)所示。在千瓦级输出功率条件下，随机激光的光谱急剧展宽并超过了高反光栅的反射带宽，导致部分光功率泄漏到泵浦源的主放大级中。图1(b)所示为仿真得到的漏光光谱，由于高反光栅的反射作用，光栅漏光的光谱中央存在明显凹陷，但光谱拖尾却几乎完全透射到泵浦源的主放大级中。虽然漏光功率(约1.3 W)远小于随机激光的输出功率，但进入泵浦源的主放大级后也会被放大至数十瓦量级，如图1(c)所示。并且，数值仿真结果表明，即使采用时域稳定的单频激光泵浦，传统结构的高功率随机光纤激光器中仍会产生高功率的后向回光。因此，为了减少后向回光、实现更高功率的随机激光输出，有必要对随机光纤激光器的系统结构进行优化设计。
图1 (a) 基于纯拉曼增益的随机光纤激光典型结构图;(b) 千瓦级输出功率下的光栅漏光光谱;(c) 光栅漏光在泵浦源主放大级中的放大过程
既然光栅漏光难以避免被功率放大，研究团队提出将泵浦源的主放大级纳入随机光纤激光结构的新方案，也就是将高反光栅移动到泵浦源的主放大级之前，如图2(a)所示。这种结构结合了拉曼增益和掺杂离子增益，因此称之为“基于混合增益的随机光纤激光器”。为了研究混合增益随机光纤激光器的功率分布和输出功率的演化特性，该研究团队建立了新的理论模型——即在稳态速率方程的基础上进一步考虑受激拉曼散射和瑞利后向散射等物理效应。图2(b)所示为LD泵浦功率为1400 W时的纵向功率分布仿真结果，此时高反光栅处的随机激光功率约为16 W，见图2(c)。如果按照99%的光栅反射率估算，光栅漏光的功率仅为0.16 W。若按照75%的有效光栅反射率计算，光栅漏光的功率则为4 W，表明该方案具有良好的后向回光抑制能力。
图2 (a) 基于混合增益的随机光纤激光结构简图;(b) 千瓦级输出功率下的纵向功率分布;(c) 高反光栅附近的功率分布
基于该理论设计搭建了如图3(a)所示的混合增益半开腔结构随机光纤激光器。采用一台光谱中心波长和线宽均可调谐的超荧光光纤光源提供种子泵浦光，其输出功率约为40 W。利用一段25 m长的20/400 μm掺镱光纤和一段35 m长的20/400 μm被动光纤提供混合增益和随机分布式反馈。图3(b)所示为信号光光谱纯度最高时的输出光谱，此时的LD泵浦功率约为2789 W，信号光的光谱纯度高达98.1%，这是目前千瓦级随机光纤激光的最高光谱纯度。图3(c)所示为各光谱成分的功率演化。结果显示，随机激光的出光阈值约为1460 W，在2881 W的LD泵浦功率下，信号光的最高输出功率约为1972 W，对应的光-光转换效率约为68.4%，此时的二阶拉曼光功率仅为0.7 W。据了解，这是目前单级随机光纤激光器的最高输出功率。此外，考虑到此时的光-光转换效率为相对LD泵浦功率而言，因此68.4%的转换效率比以往报道的千瓦级随机光纤激光的转换效率更高。
图3 (a) 基于混合增益的随机光纤激光系统结构图;(b) 信号光占比最大时的输出光谱;(c) 输出功率随LD泵浦功率的演化
基于混合增益的随机光纤激光器具有几个明显优势：一是后向回光功率更低——相比传统结构的随机光纤激光器，后向回光功率降低了一个数量级以上，对回光隔离等器件的承受功率要求显著降低;二是对高反光栅的功率承受能力要求更低——传统结构中的高反光栅需要通过千瓦级以上的泵浦光，而该工作中的高反光栅仅需通过几十瓦的种子泵浦光;三是激光阈值更低——基于纯拉曼增益的随机光纤激光的出光阈值均在千瓦以上，结合掺杂离子增益后有望减小随机激光的出光阈值;四是有望实现更高的转换效率——传统结构的随机光纤激光器中存在较多的后向回光和剩余泵浦光。因此信号光相对泵浦光的转换效率不高，而基于混合增益的随机光纤激光器有望实现高光谱纯度的单向随机激光输出，并有望同时提高泵浦光的转换效率。
