成功实现1.25 kW超低量子亏损拉曼光纤激光器

       光纤激光器具有光束质量好、转换效率高、结构紧凑以及柔性传输等优点，在航空航天、交通运输、新能源等领域得到了广泛应用。得益于高功率泵浦源和光纤器件制造技术的持续进步，光纤激光器的输出功率不断提升。然而，当激光功率达到千瓦级甚至更高水平时，光纤内的热效应逐渐凸显，成为限制系统性能的关键因素之一。其中，量子亏损是高功率光纤激光器热负载的主要来源。量子亏损源于泵浦光与信号光之间的能量差，这部分能量差在激光转换过程中会以热的形式沉积在光纤中，从而引发热致模式不稳定、光束质量退化以及光纤损伤等问题。因此，降低量子亏损被认为是减小系统热负载、提升激光器稳定性，并最终实现更高功率输出的关键途径。

       近年来，研究人员围绕低量子亏损光纤激光开展了大量研究。例如，通过级联泵浦方案或优化稀土掺杂光纤材料组分来减小泵浦与信号波长之间的能量差。然而，由于传统稀土掺杂光纤的吸收和发射谱受到离子能级结构的限制，在保持高功率输出的同时实现低量子亏损仍然面临较大挑战。另一方面，基于受激拉曼散射机制的拉曼光纤激光器具有波长可扩展和结构灵活等优势，为实现低量子亏损激光输出提供了新的技术路径。因此，探索新的拉曼增益机制并实现低量子亏损高功率输出，成为当前光纤激光领域的重要研究课题之一。

       针对高功率光纤激光中由于量子亏损带来的热负载问题，国防科技大学周朴研究员、许将明副研究员团队开展了低量子亏损拉曼光纤激光技术研究。此前的研究结果表明，掺磷光纤中存在由材料局域振动模式引起的玻色峰，该结构可在低频移区域提供拉曼增益，为实现低量子亏损激光输出提供了新的思路。在此基础上，本工作进一步探索在保持低量子亏损条件下实现高功率激光输出。

       与传统石英光纤相比，掺磷光纤除了具有常规的13.2 THz拉曼增益峰外，还在约3.6 THz低频移区域存在玻色峰增益。在实验中，团队搭建了一套基于掺磷光纤的高功率拉曼光纤放大器系统。系统采用时域稳定且波长可灵活调谐的超荧光光纤光源分别作为泵浦源和种子源，通过光谱滤波与功率放大获得稳定输出。泵浦光与种子光经波分复用器后共同注入放大级，随后在掺磷光纤中通过受激拉曼散射效应实现1087 nm信号光的高功率放大。

图1 千瓦级超低量子亏损拉曼光纤激光器实验装置示意图

       在实验过程中，研究团队重点研究了泵浦波长调谐对激光器输出性能的影响。通过固定信号光波长为1087 nm，并调节泵浦光中心波长，使泵浦与信号光之间的频移接近掺磷光纤玻色峰的增益位置，从而在保持低量子亏损的同时获得较高拉曼增益。实验结果表明，当泵浦波长为1078 nm、掺磷光纤长度为120 m时，系统能够实现最高1250 W的信号光输出，对应量子亏损仅为0.83%，成功实现千瓦级超低量子亏损拉曼光纤激光。

图2 泵浦波长为1078 nm 时的输出光谱及功率曲线。（a）最大功率下的输出光谱；（b）不同泵浦功率下的光谱演化；（c）功率演化曲线

       在此基础上，研究团队进一步通过优化参数探索更高功率输出能力。通过缩短掺磷光纤长度至90 m、并调节泵浦波长至1075 nm，实现了1543 W的信号光输出，对应量子亏损为1.1%。实验结果表明，通过合理匹配玻色峰与实际的泵浦-信号光频移并优化光纤长度，可以在保持低量子亏损的同时实现更高功率输出。

图3 掺磷光纤长度为90 m时的（a）最大信号光功率条件下的光谱图；（b）光谱演化图；（c）功率演化曲线

       总体而言，该研究在已有玻色峰拉曼增益机制研究的基础上，兼顾实现了高功率与低量子亏损，成功获得千瓦级超低量子亏损光纤激光输出。相比传统高功率光纤激光器，该方案能够显著降低系统热负载，可为实现更高功率、更低热负载的光纤激光器提供重要参考。

       团队将进一步围绕掺磷光纤中玻色峰的形成机理开展研究，探索玻色峰频移位置及其增益特性的调控方法。在此基础上，通过优化光纤材料组成和制备工艺，实现对玻色峰特性的有效调控，制备出具有更低频移拉曼增益特性的光纤，从而进一步降低量子亏损并提升光纤激光的输出功率。

参考文献： 中国光学期刊网

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