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光纖激光器問世以來，以其功率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)勢備受關(guān)注，而高功率連續(xù)光纖激光器作為科研和產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)較早的一類激光器，近十幾年來發(fā)展十分迅速，各項(xiàng)指標(biāo)一再被刷新，在工業(yè)、、基礎(chǔ)科研等多個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用；同時對更高功率、高穩(wěn)定性、高光束質(zhì)量的光纖激光輸出需求增大，在不斷實(shí)現(xiàn)和刷新指標(biāo)過程中，對于兩類非線性效應(yīng)的抑制成為了關(guān)鍵因素，即熱致模式不穩(wěn)定性（TMI）和受激拉曼散射（SRS）。
01
熱致模式不穩(wěn)定TMI
2010年，Jena課題組報(bào)道了TMI現(xiàn)象，TMI起源于熱效應(yīng)，當(dāng)光纖激光的輸出平均功率超過TMI閾值時，光纖中不同橫模之間便會能量轉(zhuǎn)移，通過折射率周期變化的熱致光柵結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。
當(dāng)光耦合進(jìn)大纖芯光纖后，能量大部分流入基模，少部分流入高階模。不同橫模在光纖中相速度的差異導(dǎo)致了模間干涉圖樣的產(chǎn)生，使得纖芯中的光場呈現(xiàn)強(qiáng)弱交替的準(zhǔn)周期性分布。相對于弱的光場，強(qiáng)光場區(qū)域的反轉(zhuǎn)粒子數(shù)耗盡更快，所以這種光場的準(zhǔn)周期性分布會使得反轉(zhuǎn)粒子數(shù)也呈現(xiàn)出橫向不均勻的準(zhǔn)周期性分布。反轉(zhuǎn)粒子數(shù)的變化會影響功率放大和能量提取能力，隨之便會產(chǎn)生橫向不均勻的準(zhǔn)周期性分布的溫度場。溫度分布的差異性會在熱光效應(yīng)的影響下生成準(zhǔn)周期性分布的折射率光柵，這就是光纖中熱致折射率光柵的產(chǎn)生過程，圖1所示[1]。
圖1. TMI現(xiàn)象的基本物理圖象
一般地，采用以下幾種方法弱化TMI的影響：
（1）通過調(diào)整泵浦源的波長降低虧損，進(jìn)而減小系統(tǒng)中的熱效應(yīng)，比如采用1018nm進(jìn)行泵浦，或者不同波長搭配泵浦等。
（2）通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)，采用支持基模的大模場面積光纖作為鏈路增益介質(zhì)，比如3C手性耦合纖芯光纖，大模場光子晶體光纖等。
02
受激拉曼散射SRS
1962年受激拉曼散射SRS被觀察到。力學(xué)認(rèn)為：入射光波的一個光子被一個分子散射成為另一個低頻光子，同時分子完成其兩個振動臺之間的躍遷。入射光作為泵浦產(chǎn)生稱為斯托克斯波的頻移光[2]。當(dāng)功率超過閾值后部分激光功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的激光波長中，從而降低了信號激光的功率和轉(zhuǎn)換效率，并且后向傳輸?shù)乃雇锌怂构鈺p壞系統(tǒng)中的光器件，嚴(yán)重影響光纖激光器的穩(wěn)定性和可靠性[3] [4]。
連續(xù)波受激拉曼散射的閾值功率：
Aeff 為光纖有效模場面積，Leff 為有效光纖長度，gR(Ω) 是拉曼增益系數(shù)
一般地，采用以下方法來抑制SRS：
（1）增加有效模場面積，減小光纖長度來提高SRS閾值；
（2）通過對光譜的控制來抑制SRS；
（3）通過光纖濾波器對受激拉曼光進(jìn)行抑制。
03
抑制SRS在實(shí)際應(yīng)用中的重要意義
高品質(zhì)的若干千瓦級連續(xù)激光在切割、焊接等多種工業(yè)應(yīng)用以及應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，對于SRS的抑制是非常必要的環(huán)節(jié)。主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）有效抑制SRS可以增加應(yīng)用中輸出激光末端QBH的長度，從而增加了導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的靈活性，在工業(yè)加工中十分受用，有些方法可以將末端無源纖增加10m以上，圖2所示；
圖2. kW級連續(xù)光纖激光器及其輸出光纖
（2）SRS會導(dǎo)致信號光功率下降，并且導(dǎo)致模式不穩(wěn)定和差的光束質(zhì)量，在有效抑制SRS的基礎(chǔ)上，可以增加輸出功率和穩(wěn)定性，同時獲得更好的作用效果，圖3所示[5]。
圖3. SRS引起的功率不穩(wěn)定導(dǎo)致了較差的加工效果
04
受激拉曼抑制器
（Raman Scattering Suppressor）
圖4. 受激拉曼抑制器RSS示意圖
在達(dá)到閾值時，受激拉曼散射SRS可能出現(xiàn)在光纖激光鏈路上的多個位置，甚至可以有多級stokes光，對功率及其穩(wěn)定性不利。受激拉曼抑制器RSS的本質(zhì)是一個啁啾傾斜光柵CTFBG，圖4所示，通過設(shè)計(jì)刻寫光柵的參數(shù)實(shí)現(xiàn)一個雙向?yàn)V波的作用，可將來自正反兩個方向的SRS從纖芯濾除到包層里，免于SRS指數(shù)增長而造成的積累，進(jìn)而保證了信號光的正常增益和光譜的穩(wěn)定，圖5所示。
圖5. RSS在實(shí)際應(yīng)用中濾除正反兩個方向SRS原理圖
實(shí)際測試中，以一套用于切割的光纖激光器的光路為例，逐漸增加輸出光纖的長度和激光功率，直到產(chǎn)生的SRS到一定程度引起功率不穩(wěn)定，在鏈路上帶有和不帶有RSS的情況下進(jìn)行對比，可見前者可以支持更高功率輸出和穩(wěn)定性，同時也支持更長的傳能光纖的應(yīng)用（實(shí)驗(yàn)中為37m），圖6圖7所示，這在實(shí)際激光加工中有著非常重要的意義。
圖6. 帶有RSS的光纖激光器光路結(jié)構(gòu)
圖7. 不同情況下的輸出光纖長度及功率變化
目前實(shí)際應(yīng)用對于市場上常見的3kW的光纖激光器的模式和功率穩(wěn)定性提出了更高的要求，所以高的信噪比（特指SRS抑制比>20dB）成為衡量3kW單模激光的重要指標(biāo)。沒有RSS情況下信噪比為21dB，加入RSS信噪比>40dB，圖8所示，顯而易見繼續(xù)增加功率，后者將比前者有更好的表現(xiàn)和潛質(zhì)[6]。
圖8. 3kW時，沒有RSS情況下信噪比為21dB，
加入RSS信噪比>40dB
2019年報(bào)導(dǎo)了基于級聯(lián)泵浦方式和拉曼光譜濾波技術(shù)，圖9圖10所示，在光纖激光振蕩器和放大器之間加入受激拉曼抑制器RSS來濾SRS如圖所示，并且對比了不使用CTFBG、使用一個CTFBG 以及使用兩個CTFBG對SRS的抑制效果，最終激光輸出功率4.2 kW，SRS 抑制比大于15 dB[7]。
圖9. 級聯(lián)泵浦光纖激光器中抑制 SRS 的實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖
圖10. 輸出光譜隨泵浦功率的變化。（a）不使用 CTFBG；（b）使用一個 CTFBG；（c）使用兩個 CTFBG
2020年報(bào)導(dǎo)了光纖激光產(chǎn)品研發(fā)課題組設(shè)計(jì)了一種MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器，實(shí)現(xiàn)了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出。光學(xué)結(jié)構(gòu)由976 nm LD 泵浦光纖芯徑20/400 μm 摻鐿體系光纖振蕩器，采用了一種傾斜式光纖光柵對振蕩器輸出的信號光進(jìn)行光譜濾波，提升了放大器種子光的光譜純度，有效地減緩了放大器的SRS效應(yīng)，成功提升了MI閾值。實(shí)現(xiàn)了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出，中心波長1080.21 nm，放大器斜率效率78.34%，圖11所示。
圖11. 5.102kW輸出光譜及功率、光斑情況
05
結(jié)論
工業(yè)激光系統(tǒng)可以通過受激拉曼抑制器RSS獲得以下幾個方面的改善：圖12所示，
1. 增加傳能光纖QBH的長度，方便加工應(yīng)用；
2. 提高抗回返反光的能力，尤其對高反材料的加工，降低其對激光系統(tǒng)的損壞；
3. 保證系統(tǒng)穩(wěn)定的高功率的輸出和好的光束質(zhì)量，進(jìn)而保證良好的切割和焊接效果；
4. 注入功率一定的情況下，有效地提高信號光的轉(zhuǎn)換效率，間接地提高系統(tǒng)的輸出功率。
圖12. 受激拉曼抑制器RSS在實(shí)際應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)位置
非線性效應(yīng)在高功率實(shí)現(xiàn)過程中在所難免，需要簡單、切實(shí)、有效的方法來抑制。受激拉曼抑制器從實(shí)際應(yīng)用側(cè)很好地克服了SRS帶來的不利影響，實(shí)現(xiàn)了高品質(zhì)高功率的激光輸出，隨著光纖激光技術(shù)的不斷發(fā)展，更多更高品質(zhì)的激光光源系統(tǒng)將被應(yīng)用在工業(yè)加工、科技和基礎(chǔ)科研當(dāng)中，不斷突破瓶頸，為我們的生活帶來高科技的便利。
參考文獻(xiàn)
[1] C. Jauregui, C. Stihler, and J. Leimpert, “Transverse mode instability," Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020).
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[3] JAUREGUI C, LIMPERT J, TUNNERMANN A. High-power fibre lasers[J]. Nature Photonics, 2013, 7（11）: 861-867.
[4] TER-MIKIRTYCHEV V V. Fundamentals of Fiber Lasers and Fiber Amplifiers[M]. Cham: Springer, 2014.
[5] Y.Wang et al., Proc. SPIE, 1126022(Feb. 21, 2020).
[6] Laser World of Photonics, May 2021, 43.
[7] WANG M, WANG Z F, LIU L, et al.. Effective suppression of stimulated Raman scattering in half 10 kW tandem pumping fiber lasers using chirped and tilted fiber Bragg gratings[J]. Photonics Research, 2019, 7（2）: 167-171.
[8] 羅韻,趙鵬飛,游云峰,歐陽麗娥,鄒東洋,黃智蒙,吳文杰,溫靜,廖若宇,史儀,楊先衡,吳思辛,王建軍,景峰. 5.1 kW光電控一體式單模光纖激光器[J]. 中國激光, 2020, 47(8): 0816001.
