随机激光放大实现10 kW级高光谱纯度掺镱拉曼光纤激光器

Tian-Cheng Qi, Dan Li, Guo-Hao Fu, You-Si Yang, Guan-Zhong Li, Le-Le Wang, Shan-Shan Du, Ping Yan, Ma-Li Gong and Qi-Rong Xiao, Amplification of random lasing enables a 10-kW-level high-spectral-purity Yb–Raman fiber laser, Optics Letters 48(7): 1794-1797 (2023).

拉曼光纤激光器利用受激拉曼散射引起的频移作为增益机制，是实现高功率光纤激光器波长扩展的重要工具。 主振荡器功率放大器是拉曼光纤激光器功率提升的首选。拉曼光纤激光器的光束清除效应和最小化剩余泵浦功率保证了高亮度和高光谱纯度。利用镱离子的混合增益和拉曼散射的掺镱拉曼光纤放大器也可以实现超出镱离子增益带的高功率拉曼激光。混合增益的机理使得掺镱拉曼光纤放大器非常适合于拉曼光纤激光器的高功率泵浦组合，因为拉曼光纤激光器的芯泵浦注入由镱增益分配，放大器本身只采用掺镱光纤放大器的包层泵浦结构。利用掺镱拉曼光纤放大器实现了几台千瓦级的拉曼光纤激光器，最大输出功率达到6.85 kW。拉曼光纤放大器通常需要在其信号波长处的反射分量来组成拉曼种子，而掺镱拉曼光纤放大器通常同时需要拉曼种子和掺镱光纤激光种子。即使掺镱光纤激光器种子的自发拉曼噪声也可以作为拉曼种子，但由于1120 nm峰的3-dB带宽往往大于5 nm，在这种情况下，掺镱光纤放大器的光谱功率密度也会下降。目前，研究人员正在寻求一种有效的方法来将高功率、高光谱纯度的激光输出扩展到反射元件的波长之外。

幸运的是，随机拉曼光纤激光器在没有相应波长反射成分的情况下，为高光谱纯度的波长扩展提供了一种鼓舞人心的方法。瑞利散射在随机拉曼光纤激光器中提供宽带的分布式反馈，级联拉曼散射提供波长扩展的增益。在镱离子增益带中具有时间稳定的泵浦源的情况下，随机拉曼光纤激光器可以提供超出镱离子增益带的高光谱纯度激光器。这些用于波长扩展的随机拉曼光纤激光器通常采用以放大自发发射源或随机激光源作为泵浦源的正向泵浦方案。当与掺镱光纤激光种子拼接以形成掺镱拉曼光纤放大器的多波长种子时，随机拉曼光纤激光器的泵浦波与信号激光器一起传播到级联的掺镱光纤激光种子中。问题是，掺镱光纤激光种子在镱波段内也有反射成分，这将导致强反馈到之前级联的种子中。结果，在掺镱光纤激光器种子和随机拉曼光纤激光器的泵浦源（例如随机激光泵浦源）之间将发生寄生振荡。这种寄生振荡将使随机拉曼光纤激光种子的光谱纯度恶化，或者甚至更糟，损坏随机拉曼光纤激光器种子。关于基于随机拉曼光纤激光器种子的掺镱拉曼光纤放大器的研究很少，尽管由于其时间稳定性，随机光纤激光器是掺镱光纤放大器中主振荡器功率放大配置的优秀种子。对于具有提供拉曼种子的随机拉曼光纤激光器的掺镱拉曼光纤放大器来说，防止级联多波长种子之间的寄生振荡是一个具有挑战性的问题。实现高光谱纯度的高功率掺镱拉曼光纤放大器是关键。

10 kW级掺镱拉曼光纤放大器采用两种子级联的主振功率放大器配置作为多波长主振[图1(a)]。第一个种子是拉曼种子，它提供在主放大器中被放大的拉曼光纤激光器。第二种子与第一种子级联，为主放大器提供掺镱光纤激光器，作为从初始包层泵浦激光器到最终输出拉曼光纤激光器的过渡。两种种子中的信号光纤具有相同的芯/包层直径为20/400 μm。三个泵浦模块作为主放大器的泵浦源，在220/242 μm多模光纤中提供中心波长为1018 nm的掺镱光纤激光器。主放大器总泵浦功率可达15.5 kW，每个泵浦模块输出约5 kW。一个(N+1)×1泵浦组合器将来自多波长种子的信号激光和来自1018 nm泵浦模块的泵浦激光组合到主放大器的纤芯和光纤内包层。泵浦组合器的信号光纤和泵浦光纤与种子模块和泵浦模块完全匹配。主放大级的增益光纤为45 m的双包层掺镱光纤，其芯径和内包层直径分别为44 μm和400 μm。首先，内包层中1018 nm掺镱光纤激光器的功率传递给在纤芯中传输的1080 nm掺镱光纤激光器，即种子2的放大激光。其次，由于受激拉曼散射效应，1080 nm掺镱光纤激光器的功率转换为1125 nm斯托克斯波。具有抗反射涂层的石英块头作为端盖。

1018 nm泵浦的主放大器，混合增益保证了功率放大到10 kW的水平，并特别设计的多波长种子防止寄生振荡。避免寄生振荡的原理是使随机拉曼光纤激光器的泵浦波和掺镱光纤激光器种子的信号波在强镱增益波段沿不同方向传播。基于这一原理，随机拉曼光纤激光种子采用后向泵浦结构[图1(b)]。在750 m掺锗光纤中产生1125 nm的随机拉曼光纤激光器，其形成随机拉曼光纤激光器振荡器的全开腔。该随机拉曼光纤激光振荡器由1070 nm随机镱光纤激光器反向泵浦。随机镱光纤激光器的半开腔由1070 nm高反射率光纤布拉格光栅和750 m掺锗光纤组成。泵浦源的最大输出功率被限制为大约550 W，以避免由时空增益调制引起的脉冲。如图1(b)所示，随机拉曼光纤激光器，即用于拉曼播种的激光器，在向前方向（向右）上传播，而其泵浦波，即随机镱光纤激光器，在向后方向（向左）上传播。高反射率光纤布拉格光栅的反射率约为99.9%，也保证了大部分随机掺镱光纤激光器不会向前通过。在该高反射率光纤布拉格光栅和种子2中的高反射率光纤布拉格光栅之间，仅存在一短段无源光纤和1125 nm处的隔离器。在镱离子的增益带中，它们之间不会发生共振。1125 nm处的隔离器旨在防止来自种子2或主放大器的任何反馈影响1125 nm处的随机拉曼光纤激光器。在750 m掺锗光纤上拼接一个石英块头，以防止光纤端面的反射对随机镱光纤激光器的干扰。

随机拉曼光纤激光器后级联的种子2是固定腔掺镱光纤激光振荡器[图1(c)]。 振荡器由一对中心位于1080 nm，反射率分别为99.5%和10.0%的光纤光栅和一片芯/内包层直径为20/400 μm的30 m双包层掺镱光纤组成。振荡器由在976 nm处通过(n+1)×1泵浦组合器包层泵浦。这种掺镱光纤激光振荡器的高反射率光纤布拉格光栅与隔离器的输出光纤在种子1中拼接。高反射率光纤布拉格光栅在1125 nm处的反射率低于-30 dB，从而使来自种子1的随机拉曼光纤激光器在掺镱光纤激光振荡器中传输时没有任何反射。将17个1018 nm掺镱光纤激光振荡器通过N×1耦合器耦合到220/242 μm多模光纤中，建立了1018 nm的5 kW泵浦模块（图1(d))，每个掺镱光纤激光振荡器可以提供大约300 W的泵浦功率。 

在主放大器的最高1018 nm泵浦功率为15.5 kW的情况下，掺镱拉曼光纤放大器的总输出功率达到11.3 kW[图2(a)蓝线]。1125 nm的信号拉曼光纤激光器，最大输出功率10.7 kW，对应光谱纯度94.7%[图2(a)]。1125 nm信号拉曼光纤激光器的光效率为68.4%。当主放大器的1018 nm泵浦功率增加时，1125 nm拉曼光纤激光器（1080 nm的掺镱光纤激光器）的剩余泵浦激光首先增加[图2(a)中灰线]。在达到受激拉曼散射阈值后，在最高泵浦功率下逐渐减小到小于470 W。图2(a)的黄线描述了二阶Stokes波的功率演化。它在最高输出功率时被抑制21 dB[图2(b)]。最终输出光谱中信号激光的中心波长为1124.7 nm，3-dB带宽为3.9 nm，整个系统在1125 nm附近没有任何反射分量。1080.0 nm处的谱峰为残馀放大掺镱光纤激光器。在其左侧，可以发现一个1040.0 nm的低谱峰。它是由1080 nm掺镱光纤激光器和1125 nm拉曼光纤激光器的四波混频效应引起的。另一个加入四波混频效应的波是1171.4 nm处的二阶Stokes波它们的频率满足相位匹配条件：ω(1080.0 nm)+ω(1124.7 nm) ≈ω(1040.0 nm)+ω(1171.4 nm)。利用四波混频效应和二阶拉曼散射在1171.4 nm处得到光谱峰值。因此，它比1040.0 nm峰强得多。由于四波混频效应，二阶斯托克斯波不在1183 nm波长处。最短和最长波长的峰值分别对应于1018 nm的泵浦功率和1223 nm的三阶斯托克斯波。

在进一步研究主放大器的光谱演化之前，研究人员首先研究了多波长种子的性能。随机拉曼光纤激光种子提供1122.8 nm波长的拉曼种子[图3(a)]。随机拉曼光纤激光种子的3-dB带宽为1.2 nm。由于采用后向抽运结构，随机喇曼光纤激光器的抽运波在正向被高反射率光纤布拉格光栅剥离，并被抑制了30.1 dB。随机喇曼光纤激光种子为最高功率输出的掺镱拉曼光纤放大器提供了单独的22 W的输出功率。剩余泵浦波在1070 nm处的功率非常低。因此，与之前的工作相比，由于增益竞争，下一阶段不会被放大。将随机喇曼光纤激光器与掺镱光纤激光振荡器级联后，多波长种子共可提供693 W的输出功率。输出光谱在1080.1 nm和1122.8 nm处出现两个光谱峰值[图3(b)]，分别表示主放大器的掺镱光纤激光器和拉曼光纤激光器的370 W和323 W播种功率。由于掺镱光纤激光器的拉曼功率也被放大了，所以由级联种子产生的拉曼种子的功率要比随机光纤激光器本身产生的拉曼激光强得多。1168.6 nm处的光谱峰是由前面提到的四波混频和二阶拉曼散射引起的，但四波混频引起的短波光谱峰太弱而无法被发现。

光谱的整体演化清晰地展示了拉曼光纤激光器功率提升过程中的四波混频效应[图4(a)]。x坐标表示拉曼光纤激光器的输出功率部分。随着拉曼光纤激光器功率的增加，1080 nm掺镱光纤激光器的功率先放大后变弱，当达到一阶Stokes波阈值时，其功率主要转移到拉曼光纤激光器。四波混频效应引起的1040 nm波长的功率演化也有相同的趋势。当拉曼光纤激光器功率和掺镱光纤激光器功率均增大时，随着拉曼光纤激光器与掺镱光纤激光器产生四波混频，1040 nm波长的波长变强。当掺镱光纤激光器的功率降低时，1040 nm处的光谱峰值变低[图4(b)]。然而，由于四波混频和二阶拉曼散射的结合，1169 nm波长的波长随着拉曼光纤激光功率的增加而不断增长[图4(c)]。当1080 nm掺镱光纤激光衰减时，即使四波混合效应引起的功率转移变弱，二阶拉曼散射引起的功率转移仍变强。二阶斯托克斯波的中心波长也从1168.6 nm漂移到1171.4 nm，其中1125 nm的拉曼光纤激光器的拉曼增益更强。此外，四波混合效应使得来自多波长种子的二阶斯托克斯波的噪声与二阶拉曼散射最强增益的波长相交错。利用种子的波长设计，可以抑制二阶拉曼散射。

为了进一步研究全开腔随机拉曼光纤激光器的放大光谱特性，聚焦于1120 nm光谱峰的3-dB带宽[图5(a)红线]。当拉曼光纤激光器的输出功率比例低于40%时，3-dB带宽保持在1-2 nm范围内。然而，当输出功率比例从35%增加到50%时，3-dB带宽迅速增加到3.4 nm。根据图2(a)，这是在一阶受激拉曼散射的阈值附近。然后，3-dB带宽保持在3-4 nm范围内。注意，输出激光的光束质量呈现出不同的趋势[图5(a)中的蓝线]。当输出功率大于受激拉曼散射阈值时，由于光束清洁效应，输出激光器的β<2 style="outline: 0px;text-indent: 34px;text-wrap: wrap;background-color: rgb(255, 255, 255);color: rgb(0, 0, 0);font-family: 微软雅黑;font-size: 15.04px;letter-spacing: 1px;"><2 style="outline: 0px;text-indent: 34px;text-wrap: wrap;background-color: rgb(255, 255, 255);color: rgb(0, 0, 0);font-family: 微软雅黑;font-size: 15.04px;letter-spacing: 1px;">