脉冲单频光纤激光器：相干探测的重要“利器”

封面展现了脉冲单频光纤放大器的典型结构，通过对窄线宽、低功率的单频脉冲种子源进行多级放大，采取多种技术手段克服激光放大过程中的受激布里渊散射、自相位调制等非线性效应，最终实现脉冲单频激光功率、能量的提升。全光纤脉冲单频光纤放大器具有结构紧凑、系统集成度高的应用优势，结合激光自身高功率/能量、窄线宽的特点，在激光雷达、遥感等相干探测领域具有重要应用价值。

一、背景介绍

高功率和高能量脉冲单频激光源在相干激光雷达、遥感以及光谱分析等领域具有重要应用。以相干测风雷达为例，随着航空、气象和清洁风能领域的快速发展，三维风场信息的远距离、实时、高分辨率探测显得尤为重要，因此要求测风雷达搭载光源具备高功率/能量、窄线宽以及高光束质量等特性。基于光纤波导结构的脉冲单频激光源在实现高功率、高光束质量激光输出的同时，在系统集成性、稳定性等方面也展现出独特的优势，因此得到了广泛关注和研究。

考虑到单频光纤激光振荡器有限的功率水平，目前高功率和高能量脉冲单频光纤激光源主要采用主振荡功率放大（MOPA）结构实现，在保持激光单纵模运转的同时，实现脉冲激光功率和能量的提升。然而，随着光纤链路的加长和激光功率的提高，单频激光的窄线宽特性导致系统出现严重的受激布里渊散射（SBS）效应，这一非线性效应不仅消耗信号光功率，而且其产生的反向Stokes光，极易造成激光系统损伤，成为制约脉冲单频光纤激光放大的主要因素。为此，研究人员提出了一系列技术手段抑制光纤放大系统的SBS效应，以推动脉冲单频激光功率和能量水平的发展。

二、关键技术进展

1、新型有源光纤设计

鉴于激光功率密度、光纤长度这两大因素对单频激光SBS效应阈值的影响，增加有源光纤的模场面积、缩短光纤长度，是提升脉冲单频光纤激光放大能力的主要技术手段。为此，先后有大模场芯包结构光纤、微结构光纤、锥形光纤以及多组分玻璃光纤等被应用于脉冲单频光纤激光放大系统，实现激光功率和能量的提升。传统的芯包结构光纤受限于纤芯较高的数值孔径，光纤随着纤芯尺寸的增加表现为少模甚至多模运转，导致激光光束质量的下降。对此，研究人员从玻璃体系优化角度出发，探索大模场有源光纤近单模运转的可行性。研究发现基于P2O5-Al2O3-SiO2（PAS）玻璃体系的掺铒石英光纤，如图1（a）所示，在提高铒离子掺杂浓度的同时，纤芯折射率增幅较低，从而在光纤纤芯直径达到35 μm的情况下仍可保持近单模特性。基于该大模场掺铒光纤，研究人员将脉冲宽度为90 ns的1551 nm脉冲单频激光的峰值功率提高到4 kW水平。

图1 大模场有源光纤结构设计。（a）基于PAS玻璃体系的35/115 μm×115 μm掺铒石英光纤截面图；（b）纤芯数量为39芯、纤芯区域尺寸为24 μm×32 μm的铒镱共掺多芯光纤截面图；（c）保偏掺镱锥形光纤截面图；（d）锥形光纤包层直径随光纤长度变化趋势

相比于芯包结构光纤，微结构光纤在光纤截面上的设计方面具有更高的自由度，为高功率单模光纤激光器的发展提供了新的技术路径。如图1（b）所示的纤芯数量为39芯的铒镱共掺多芯光纤，其等效纤芯数值孔径仅为0.022，保证了光纤在大模场面积下的单模束缚能力。研究人员利用该光纤放大800 ns的1545 nm脉冲单频种子，实现了750 μJ的脉冲能量，激光光束质量保持在M2~1.3的水平。除了对光纤的横向结构设计，光纤纵向尺寸的调控也被用来提升SBS效应阈值。以图1（c）、（d）所示的锥形光纤为例，通过改变光纤长度方向上的纤芯尺寸，可降低反向Stokes光的增益积累、提升SBS效应阈值。利用锥形掺镱光纤，研究人员获得了脉冲能量288 μJ、峰值功率2.2 kW的线偏振单频激光，光束质量因子M2仅为1.08。

由于石英光纤在玻璃基质折射率调控能力和稀土离子掺杂浓度等方面存在较强的局限性，研究人员进一步将目光转移到具有高稀土离子掺杂能力和低数值孔径的多组分软玻璃光纤。高稀土离子掺杂浓度下，采用较短光纤即可实现激光功率/能量放大，有力提高了脉冲单频光纤激光放大系统的SBS阈值；此外，通过玻璃组分精确调控实现的超低数值孔径有利于大模场光纤的单模运转。研究人员利用纤芯直径为50 μm、数值孔径低至0.02~0.04的保偏单掺铒硅酸盐光纤，将1.5 μm波段的微秒脉冲单频激光能量提升到2.2 mJ，超低的纤芯数值孔径保证了大模场光纤下激光的近单模运转。

2、温度和应力梯度

光纤放大器中的SBS效应建立于反向Stokes光增益沿光纤轴向的快速积累，因此，研究人员提出沿光纤轴向调控Stokes光增益谱来抑制SBS效应的方法。实验中可对有源光纤施加温度和应力梯度实现对Stokes光频移的调控，降低反向Stokes光增益积累，从而达到提高SBS阈值的目的。研究人员在1540 nm脉冲单频光纤放大器实验中，通过对功率放大级1.4 m长的25/250 μm保偏铒镱共掺光纤施加如图2所示的应力梯度，实现了脉冲能量540 μJ、峰值功率1.08 kW的500 ns脉冲单频激光输出。但需指出的是，这一技术方案在实际应用中仍面临环境适应性、稳定性以及系统集成度等问题。

图2 脉冲单频激光功率放大级对增益光纤施加的应力分布

3、低于声子寿命的短脉冲放大

考虑到SBS效应产生的过程主要涉及信号光与声学声子之间的相互作用，由于石英玻璃中声子寿命接近10 ns，因此，可以采取低于声子寿命的短脉冲宽度进行单频激光放大工作，缩短激光脉冲和声波的互作用时间，从而达到提高SBS阈值的目的。基于<10 ns的短脉冲单频种子源，一方面研究人员在高脉冲重复频率（MHz量级）下实现了平均功率达到千瓦量级的脉冲单频激光放大；另一方面，通过采用kHz量级重复频率可获得百千瓦级高峰值功率的脉冲单频激光（如图3所示）。

图3 基于大模场掺镱石英光纤实现的峰值功率91 kW、脉冲宽度2.4 ns的脉冲单频光纤激光

三、总结与展望

脉冲单频光纤激光放大器在近二十年的发展过程中，激光峰值功率、脉冲能量、线宽及光束质量控制等方面的性能参数得到了全面提升，在近红外1 μm、1.5 μm和2 μm波段均得到了广泛的研究，并基于各波段特点发展了针对性的技术方案，实现了峰值功率达百千瓦、脉冲能量达mJ级的脉冲单频激光。但仍需看到，与固体激光技术方案相比在能量水平方面仍存在较大差距、SBS效应对激光功率和能量提升的制约仍较为严重、高功率/能量脉冲单频光纤激光器对特种玻璃光纤的依赖程度仍然较大。进一步的性能提升仍需综合考虑光纤增益、非线性效应以及激光光束质量之间的平衡关系，充分挖掘新型光纤结构设计提供的功率、能量提升空间，结合脉冲自身的时频域调控以及光纤、固体相结合的技术方案，推动高功率和高能量脉冲单频光纤激光取得新的突破。

参考文献： 中国光学期刊网

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