光纖激光器具有光束質(zhì)量好、轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊以及柔性傳輸?shù)葍?yōu)點，在航空航天、交通運輸、新能源等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。得益于高功率泵浦源和光纖器件制造技術(shù)的持續(xù)進步，光纖激光器的輸出功率不斷提升。然而，當激光功率達到千瓦級甚至更高水平時，光纖內(nèi)的熱效應(yīng)逐漸凸顯，成為限制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。其中，量子虧損是高功率光纖激光器熱負載的主要來源。量子虧損源于泵浦光與信號光之間的能量差，這部分能量差在激光轉(zhuǎn)換過程中會以熱的形式沉積在光纖中，從而引發(fā)熱致模式不穩(wěn)定、光束質(zhì)量退化以及光纖損傷等問題。因此，降低量子虧損被認為是減小系統(tǒng)熱負載、提升激光器穩(wěn)定性，并最終實現(xiàn)更高功率輸出的關(guān)鍵途徑。

       近年來，研究人員圍繞低量子虧損光纖激光開展了大量研究。例如，通過級聯(lián)泵浦方案或優(yōu)化稀土摻雜光纖材料組分來減小泵浦與信號波長之間的能量差。然而，由于傳統(tǒng)稀土摻雜光纖的吸收和發(fā)射譜受到離子能級結(jié)構(gòu)的限制，在保持高功率輸出的同時實現(xiàn)低量子虧損仍然面臨較大挑戰(zhàn)。另一方面，基于受激拉曼散射機制的拉曼光纖激光器具有波長可擴展和結(jié)構(gòu)靈活等優(yōu)勢，為實現(xiàn)低量子虧損激光輸出提供了新的技術(shù)路徑。因此，探索新的拉曼增益機制并實現(xiàn)低量子虧損高功率輸出，成為當前光纖激光領(lǐng)域的重要研究課題之一。

       針對高功率光纖激光中由于量子虧損帶來的熱負載問題，國防科技大學周樸研究員、許將明副研究員團隊開展了低量子虧損拉曼光纖激光技術(shù)研究。此前的研究結(jié)果表明，摻磷光纖中存在由材料局域振動模式引起的玻色峰，該結(jié)構(gòu)可在低頻移區(qū)域提供拉曼增益，為實現(xiàn)低量子虧損激光輸出提供了新的思路。在此基礎(chǔ)上，本工作進一步探索在保持低量子虧損條件下實現(xiàn)高功率激光輸出。

       與傳統(tǒng)石英光纖相比，摻磷光纖除了具有常規(guī)的13.2 THz拉曼增益峰外，還在約3.6 THz低頻移區(qū)域存在玻色峰增益。在實驗中，團隊搭建了一套基于摻磷光纖的高功率拉曼光纖放大器系統(tǒng)。系統(tǒng)采用時域穩(wěn)定且波長可靈活調(diào)諧的超熒光光纖光源分別作為泵浦源和種子源，通過光譜濾波與功率放大獲得穩(wěn)定輸出。泵浦光與種子光經(jīng)波分復用器后共同注入放大級，隨后在摻磷光纖中通過受激拉曼散射效應(yīng)實現(xiàn)1087 nm信號光的高功率放大。

圖1 千瓦級超低量子虧損拉曼光纖激光器實驗裝置示意圖

       在實驗過程中，研究團隊重點研究了泵浦波長調(diào)諧對激光器輸出性能的影響。通過固定信號光波長為1087 nm，并調(diào)節(jié)泵浦光中心波長，使泵浦與信號光之間的頻移接近摻磷光纖玻色峰的增益位置，從而在保持低量子虧損的同時獲得較高拉曼增益。實驗結(jié)果表明，當泵浦波長為1078 nm、摻磷光纖長度為120 m時，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高1250 W的信號光輸出，對應(yīng)量子虧損僅為0.83%，成功實現(xiàn)千瓦級超低量子虧損拉曼光纖激光。

圖2 泵浦波長為1078 nm 時的輸出光譜及功率曲線。（a）最大功率下的輸出光譜；（b）不同泵浦功率下的光譜演化；（c）功率演化曲線

       在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步通過優(yōu)化參數(shù)探索更高功率輸出能力。通過縮短摻磷光纖長度至90 m、并調(diào)節(jié)泵浦波長至1075 nm，實現(xiàn)了1543 W的信號光輸出，對應(yīng)量子虧損為1.1%。實驗結(jié)果表明，通過合理匹配玻色峰與實際的泵浦-信號光頻移并優(yōu)化光纖長度，可以在保持低量子虧損的同時實現(xiàn)更高功率輸出。

圖3 摻磷光纖長度為90 m時的（a）最大信號光功率條件下的光譜圖；（b）光譜演化圖；（c）功率演化曲線

       總體而言，該研究在已有玻色峰拉曼增益機制研究的基礎(chǔ)上，兼顧實現(xiàn)了高功率與低量子虧損，成功獲得千瓦級超低量子虧損光纖激光輸出。相比傳統(tǒng)高功率光纖激光器，該方案能夠顯著降低系統(tǒng)熱負載，可為實現(xiàn)更高功率、更低熱負載的光纖激光器提供重要參考。

       團隊將進一步圍繞摻磷光纖中玻色峰的形成機理開展研究，探索玻色峰頻移位置及其增益特性的調(diào)控方法。在此基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化光纖材料組成和制備工藝，實現(xiàn)對玻色峰特性的有效調(diào)控，制備出具有更低頻移拉曼增益特性的光纖，從而進一步降低量子虧損并提升光纖激光的輸出功率。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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