超宽带级联长周期光纤光栅，用于增强高功率光纤激光器中的受激拉曼散射抑制效果

《Optical Fiber Technology》：Ultra-broadband cascaded long-period fiber gratings for enhanced stimulated Raman scattering suppression in high-power fiber lasers

抑制高功率光纤激光器中受激发射拉曼散射（SRS）的研究。通过制备三重级联长周期光纤光栅（CLPFG），结合低SRS阈值激光振荡器进行实验，证实CLPFG可同步显著提升第一和第二谐波的SRS抑制阈值，并首次观测到SRS波长蓝移现象，表明该结构能有效过滤强SRS Stokes波，但无法完全消除高功率下的SRS激励。

　　

胡启豪|王武杰

国防科技大学气象海洋学院，中国湖南长沙410073

摘要

受激拉曼散射（SRS）是限制高功率光纤激光器输出性能进一步提升的关键因素。长周期光纤布拉格光栅（LPFG）已被证明是抑制SRS的有效方法之一，然而其性能极限尚未得到充分探索。在本研究中，制造了具有宽抑制带宽的三级级联LPFG，以期实现更高效的SRS抑制。为了评估其性能，开发了一种具有低SRS阈值的光纤激光振荡器，并进行了一系列对比实验。实验结果表明，第一级和第二级SRS的阈值均显著提高。值得注意的是，由于LPFG的衰减带作用，SRS的波长最初发生了蓝移。这一现象也表明，该滤波器可以减轻SRS，但无法完全阻止其产生。

引言

高功率光纤激光器具有显著的优势，包括热光稳定性、紧凑设计、高效率和卓越的空间光束质量，这引发了学术界的广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]。在过去十年中，双包层光纤（DCF）的制造技术和激光二极管（LD）亮度的提高，使得光纤激光振荡器和放大器的最大输出功率显著增加，分别达到了10 kW和150 kW[5]、[6]。然而，受激拉曼散射（SRS）仍然对实现光纤激光器的最佳输出性能构成重大挑战[1]、[2]、[3]、[4]。

迄今为止，已经提出了许多抑制SRS的方法[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。光纤光谱滤波器，特别是啁啾和倾斜光纤布拉格光栅（CTFBGs）[12]以及长周期光纤光栅（LPFGs）[13]，近年来因其简单性、有效性、易于制造、被动操作、全光纤结构等多种优点而受到广泛研究。

2017年，王等人首次研究了使用CTFBGs抑制SRS[12]。此后，CTFBGs的制造及其在高功率光纤激光器中的应用取得了快速进展。千瓦级别的CTFBGs已成功开发并用于SRS抑制[14]、[15]。然而，所报道的CTFBGs的带宽不足以覆盖高功率下的主要拉曼增益谱。CTFBGs的带宽主要取决于倾斜角和总啁啾[16]。因此，拓宽带宽的最有效方法是使用更长啁啾相位掩模。然而，这种方法可能会对激光斑点的能量密度造成显著影响。最近的一项研究表明，级联刻写是一种有效方法，但其有效性受到单个CTFBG窄带宽的严重限制[17]。基于紫外脉冲的制造过程需要耗时的氢加载和退火工序，这显著影响了CTFBGs的性能[14]。尽管使用飞秒激光器在制造CTFBGs方面取得了进展，但其带宽仍然相对较窄，导致SRS抑制的改进有限[18]。此外，CTFBGs的残余布拉格反射可能会降低效率并影响光纤激光系统的稳定性，正如先前的研究所示[19]、[20]。

相比之下，LPFGs具有多个优点，包括易于制造、插入损耗小、无后向反射和热影响可忽略[21]。这些特性使得LPFGs非常适合用于高功率光纤激光器中的SRS抑制。在2009年的一项理论研究中[22]，报道了使用LPFG作为滤波组件将斯托克斯光从芯层耦合到包层的应用[13]。后续研究证明了LPFGs在脉冲光纤激光器中抑制SRS的有效性。2018年，使用飞秒激光在直径为400 μm的大模场面积（LMA）光纤上刻写了LPFGs以抑制SRS[23]。然而，这种方法的有效性受到窄带宽的严重限制。2020年，焦等人进行了一项研究，展示了使用紫外辐照LPFGs抑制SRS的效果，取得了积极的结果[24]。然而，与传统的CTFBGs类似，这些LPFGs也受到氢加载和退火过程相关问题的影响。

近年来，我们在高功率光纤振荡器[25]和放大器[26]中使用了CO₂激光刻写的LPFGs，实现了显著的SRS抑制效果。随后，还研究了在高功率光纤放大器中性能更好的级联LPFG（CLPFG）[27]。CLPFG结构之所以被采用，是因为它能够提供比单个LPFG更宽的抑制带宽，这一点在之前的SRS抑制研究中得到了明确证实[26]、[27]。这种宽带宽是本研究探索强烈斯托克斯波生成振荡器非线性光谱动态的关键属性。在这些基于放大器的研究中，LPFG/CLPFG的主要作用是过滤来自种子源的弱斯托克斯光，从而防止其在主放大器阶段发生非线性放大。这种方法有效地提高了放大器的SRS阈值，但仅提供了对滤波器性能的间接验证。滤波效果本身在放大器的最终输出光谱中变得模糊，LPFG抑制强腔内斯托克斯波的真正上限尚未被探索。

因此，为了直接且明确地探究LPFGs在SRS抑制方面的最大潜力，需要一个更严格的测试平台。尽管LPFGs在抑制SRS效应方面具有独特优势，但它们在面对激光腔内强SRS时的抑制性能极限仍有待探索。在本研究中，制造了一种具有深度衰减和宽带宽的CLPFG，并建立了一个具有低SRS阈值的光纤激光振荡器，以直接验证CLPFG在极端条件下的最大抑制性能。

在本研究中，制造了一种具有深度衰减和宽带宽的CLPFG，并建立了一个具有低SRS阈值的光纤激光振荡器，以验证CLPFG在SRS抑制方面的最大性能。所提出的CLPFG刻写在双包层大模场面积（LMA）光纤上，显示出超过16 dB的最大滤波比、高达116 nm的3 dB带宽和最小的插入损耗。实验结果表明，CLPFG同时抑制了第一级和第二级SRS。值得注意的是，首次观察到输出光谱中的新型SRS蓝移，进一步证明了CLPFG的优异性能。综上所述，本研究表明LPFG在SRS滤波方面的优异效果，但滤波器共振带外的拉曼增益谱会随着泵浦功率的增加而重新激发SRS。

LPFG的设计

LPFG是一种传输光纤光栅，其特征是亚毫米级的折射率调制周期。当周期满足相位匹配条件时，传播的芯模将部分耦合到包模。相位匹配条件如下描述[28]： $\lambda =\left(n_{\mathrm{eff}}^{{\mathrm{co}}_{}^{}}-n_{}^{},\mathrm{eff}\right)\mathrm{cl}\Lambda$ 其中neff和cl分别是芯模和第i个包模的有效折射率。LPFG与CTFBG的不同之处在于，LPFG不会产生反射光。

SRS抑制实验

构建了一个高功率光纤振荡器，由两个激光二极管（LD）泵浦，最大输出功率为130 W，中心波长为976 nm（光谱宽度：0.6 nm），以全面评估CLPFGs的SRS抑制性能。实验装置如图3所示。腔体由一对FBGs（HR，高反射率FBG；OC，输出耦合器FBG）和一段6 m长的增益光纤（LMA-YDF-10/130-M；芯层NA：0.08，芯层直径：11.4 μm）组成。插入了250 m长的GDF

结论

据我们所知，本研究是首次使用具有116 nm宽带宽的CLPFG在光纤振荡器中制造并利用它们来探索其最大SRS抑制潜力。与以往使用LPFG在放大器中纯化种子光的研究不同，本研究将高SRS振荡器作为直接测试平台，能够明确评估其滤波性能。

CRediT作者贡献声明

胡启豪：撰写——原始草稿，项目管理，方法论，研究，资金获取，数据管理。王武杰：撰写——审稿与编辑，软件，形式分析，数据管理。

资助

本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）（42376189, 42506183）和湖南省自然科学基金（编号2023JJ40657）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金青年基金（编号2023JJ40657）的支持。