光纖激光器問世以來，以其功率高、光束質量好、結構緊湊等諸多優(yōu)勢備受關注，而高功率連續(xù)光纖激光器作為科研和產(chǎn)品實現(xiàn)較早的一類激光器，近十幾年來發(fā)展十分迅速，各項指標一再被刷新，在工業(yè)、、基礎科研等多個領域發(fā)揮著重要作用；同時對更高功率、高穩(wěn)定性、高光束質量的光纖激光輸出需求增大，在不斷實現(xiàn)和刷新指標過程中，對于兩類非線性效應的抑制成為了關鍵因素，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課題組報道了TMI現(xiàn)象，TMI起源于熱效應，當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移，通過折射率周期變化的熱致光柵結構來進行。

當光耦合進大纖芯光纖后，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致了模間干涉圖樣的產(chǎn)生，使得纖芯中的光場呈現(xiàn)強弱交替的準周期性分布。相對于弱的光場，強光場區(qū)域的反轉粒子數(shù)耗盡更快，所以這種光場的準周期性分布會使得反轉粒子數(shù)也呈現(xiàn)出橫向不均勻的準周期性分布。反轉粒子數(shù)的變化會影響功率放大和能量提取能力，隨之便會產(chǎn)生橫向不均勻的準周期性分布的溫度場。溫度分布的差異性會在熱光效應的影響下生成準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）通過調整泵浦源的波長降低虧損，進而減小系統(tǒng)中的熱效應，比如采用1018nm進行泵浦，或者不同波長搭配泵浦等。

（2）通過設計不同的結構，采用支持基模的大模場面積光纖作為鏈路增益介質，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。力學認為：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]。當功率超過閾值后部分激光功率轉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行抑制。

03

抑制SRS在實際應用中的重要意義

高品質的若干千瓦級連續(xù)激光在切割、焊接等多種工業(yè)應用以及應用領域發(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可以增加應用中輸出激光末端QBH的長度，從而增加了導光結構的靈活性，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會導致信號光功率下降，并且導致模式不穩(wěn)定和差的光束質量，在有效抑制SRS的基礎上，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的本質是一個啁啾傾斜光柵CTFBG，圖4所示，通過設計刻寫光柵的參數(shù)實現(xiàn)一個雙向濾波的作用，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在實際應用中濾除正反兩個方向SRS原理圖

實際測試中，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用（實驗中為37m），圖6圖7所示，這在實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構

圖7. 不同情況下的輸出光纖長度及功率變化

目前實際應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。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[6]。

圖8. 3kW時，沒有RSS情況下信噪比為21dB，

加入RSS信噪比>40dB

2019年報導了基于級聯(lián)泵浦方式和拉曼光譜濾波技術，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 的實驗結構示意圖

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年報導了光纖激光產(chǎn)品研發(fā)課題組設計了一種MOPA結構的光纖激光器，實現(xiàn)了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出。光學結構由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，成功提升了MI閾值。實現(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量，進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在實際應用中的結構位置

非線性效應在高功率實現(xiàn)過程中在所難免，需要簡單、切實、有效的方法來抑制。受激拉曼抑制器從實際應用側很好地克服了SRS帶來的不利影響，實現(xiàn)了高品質高功率的激光輸出，隨著光纖激光技術的不斷發(fā)展，更多更高品質的激光光源系統(tǒng)將被應用在工業(yè)加工、科技和基礎科研當中，不斷突破瓶頸，為我們的生活帶來高科技的便利。

參考文獻

[1]  C. Jauregui, C. Stihler, and J. Leimpert, “Transverse mode instability," Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020).

[2]  《非線性光纖光學原理及應用》P188.

[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.