封面展現了脈沖單頻光纖放大器的典型結構，通過對窄線寬、低功率的單頻脈沖種子源進行多級放大，采取多種技術手段克服激光放大過程中的受激布里淵散射、自相位調制等非線性效應，最終實現脈沖單頻激光功率、能量的提升。全光纖脈沖單頻光纖放大器具有結構緊湊、系統集成度高的應用優勢，結合激光自身高功率/能量、窄線寬的特點，在激光雷達、遙感等相干探測領域具有重要應用價值。

一、背景介紹

高功率和高能量脈沖單頻激光源在相干激光雷達、遙感以及光譜分析等領域具有重要應用。以相干測風雷達為例，隨著航空、氣象和清潔風能領域的快速發展，三維風場信息的遠距離、實時、高分辨率探測顯得尤為重要，因此要求測風雷達搭載光源具備高功率/能量、窄線寬以及高光束質量等特性。基于光纖波導結構的脈沖單頻激光源在實現高功率、高光束質量激光輸出的同時，在系統集成性、穩定性等方面也展現出獨特的優勢，因此得到了廣泛關注和研究。

考慮到單頻光纖激光振蕩器有限的功率水平，目前高功率和高能量脈沖單頻光纖激光源主要采用主振蕩功率放大（MOPA）結構實現，在保持激光單縱模運轉的同時，實現脈沖激光功率和能量的提升。然而，隨著光纖鏈路的加長和激光功率的提高，單頻激光的窄線寬特性導致系統出現嚴重的受激布里淵散射（SBS）效應，這一非線性效應不僅消耗信號光功率，而且其產生的反向Stokes光，極易造成激光系統損傷，成為制約脈沖單頻光纖激光放大的主要因素。為此，研究人員提出了一系列技術手段抑制光纖放大系統的SBS效應，以推動脈沖單頻激光功率和能量水平的發展。

二、關鍵技術進展

1、新型有源光纖設計

鑒于激光功率密度、光纖長度這兩大因素對單頻激光SBS效應閾值的影響，增加有源光纖的模場面積、縮短光纖長度，是提升脈沖單頻光纖激光放大能力的主要技術手段。為此，先后有大模場芯包結構光纖、微結構光纖、錐形光纖以及多組分玻璃光纖等被應用于脈沖單頻光纖激光放大系統，實現激光功率和能量的提升。傳統的芯包結構光纖受限于纖芯較高的數值孔徑，光纖隨著纖芯尺寸的增加表現為少模甚至多模運轉，導致激光光束質量的下降。對此，研究人員從玻璃體系優化角度出發，探索大模場有源光纖近單模運轉的可行性。研究發現基于P2O5-Al2O3-SiO2（PAS）玻璃體系的摻鉺石英光纖，如圖1（a）所示，在提高鉺離子摻雜濃度的同時，纖芯折射率增幅較低，從而在光纖纖芯直徑達到35 μm的情況下仍可保持近單模特性。基于該大模場摻鉺光纖，研究人員將脈沖寬度為90 ns的1551 nm脈沖單頻激光的峰值功率提高到4 kW水平。

圖1 大模場有源光纖結構設計。（a）基于PAS玻璃體系的35/115 μm×115 μm摻鉺石英光纖截面圖；（b）纖芯數量為39芯、纖芯區域尺寸為24 μm×32 μm的鉺鐿共摻多芯光纖截面圖；（c）保偏摻鐿錐形光纖截面圖；（d）錐形光纖包層直徑隨光纖長度變化趨勢

相比于芯包結構光纖，微結構光纖在光纖截面上的設計方面具有更高的自由度，為高功率單模光纖激光器的發展提供了新的技術路徑。如圖1（b）所示的纖芯數量為39芯的鉺鐿共摻多芯光纖，其等效纖芯數值孔徑僅為0.022，保證了光纖在大模場面積下的單模束縛能力。研究人員利用該光纖放大800 ns的1545 nm脈沖單頻種子，實現了750 μJ的脈沖能量，激光光束質量保持在M2~1.3的水平。除了對光纖的橫向結構設計，光纖縱向尺寸的調控也被用來提升SBS效應閾值。以圖1（c）、（d）所示的錐形光纖為例，通過改變光纖長度方向上的纖芯尺寸，可降低反向Stokes光的增益積累、提升SBS效應閾值。利用錐形摻鐿光纖，研究人員獲得了脈沖能量288 μJ、峰值功率2.2 kW的線偏振單頻激光，光束質量因子M2僅為1.08。

由于石英光纖在玻璃基質折射率調控能力和稀土離子摻雜濃度等方面存在較強的局限性，研究人員進一步將目光轉移到具有高稀土離子摻雜能力和低數值孔徑的多組分軟玻璃光纖。高稀土離子摻雜濃度下，采用較短光纖即可實現激光功率/能量放大，有力提高了脈沖單頻光纖激光放大系統的SBS閾值；此外，通過玻璃組分精確調控實現的超低數值孔徑有利于大模場光纖的單模運轉。研究人員利用纖芯直徑為50 μm、數值孔徑低至0.02~0.04的保偏單摻鉺硅酸鹽光纖，將1.5 μm波段的微秒脈沖單頻激光能量提升到2.2 mJ，超低的纖芯數值孔徑保證了大模場光纖下激光的近單模運轉。

2、溫度和應力梯度

光纖放大器中的SBS效應建立于反向Stokes光增益沿光纖軸向的快速積累，因此，研究人員提出沿光纖軸向調控Stokes光增益譜來抑制SBS效應的方法。實驗中可對有源光纖施加溫度和應力梯度實現對Stokes光頻移的調控，降低反向Stokes光增益積累，從而達到提高SBS閾值的目的。研究人員在1540 nm脈沖單頻光纖放大器實驗中，通過對功率放大級1.4 m長的25/250 μm保偏鉺鐿共摻光纖施加如圖2所示的應力梯度，實現了脈沖能量540 μJ、峰值功率1.08 kW的500 ns脈沖單頻激光輸出。但需指出的是，這一技術方案在實際應用中仍面臨環境適應性、穩定性以及系統集成度等問題。

圖2 脈沖單頻激光功率放大級對增益光纖施加的應力分布

3、低于聲子壽命的短脈沖放大

考慮到SBS效應產生的過程主要涉及信號光與聲學聲子之間的相互作用，由于石英玻璃中聲子壽命接近10 ns，因此，可以采取低于聲子壽命的短脈沖寬度進行單頻激光放大工作，縮短激光脈沖和聲波的互作用時間，從而達到提高SBS閾值的目的。基于<10 ns的短脈沖單頻種子源，一方面研究人員在高脈沖重復頻率（MHz量級）下實現了平均功率達到千瓦量級的脈沖單頻激光放大；另一方面，通過采用kHz量級重復頻率可獲得百千瓦級高峰值功率的脈沖單頻激光（如圖3所示）。

圖3 基于大模場摻鐿石英光纖實現的峰值功率91 kW、脈沖寬度2.4 ns的脈沖單頻光纖激光

三、總結與展望

脈沖單頻光纖激光放大器在近二十年的發展過程中，激光峰值功率、脈沖能量、線寬及光束質量控制等方面的性能參數得到了全面提升，在近紅外1 μm、1.5 μm和2 μm波段均得到了廣泛的研究，并基于各波段特點發展了針對性的技術方案，實現了峰值功率達百千瓦、脈沖能量達mJ級的脈沖單頻激光。但仍需看到，與固體激光技術方案相比在能量水平方面仍存在較大差距、SBS效應對激光功率和能量提升的制約仍較為嚴重、高功率/能量脈沖單頻光纖激光器對特種玻璃光纖的依賴程度仍然較大。進一步的性能提升仍需綜合考慮光纖增益、非線性效應以及激光光束質量之間的平衡關系，充分挖掘新型光纖結構設計提供的功率、能量提升空間，結合脈沖自身的時頻域調控以及光纖、固體相結合的技術方案，推動高功率和高能量脈沖單頻光纖激光取得新的突破。

參考文獻： 中國光學期刊網

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