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作为“腔镜”
构成高功率光纤激光器的谐振腔
截至目前，腔镜用FBG技术已经相当成熟，已经在全世界的光纤激光器产业中得到了大范围应用。目前全世界能够批量制造腔镜用FBG的公司主要为加拿大的ITF公司和Teraxion公司，这两家在售的高功率光纤光栅产品的功率承载特性达到5 kW。而相对于国外，国内的商用腔镜高功率光纤光栅技术的研发虽然起步较晚但发展速度极快。目前国内的南京理工大学、珠海光库科技股份有限公司、长飞光纤光缆股份有限公司、上海瀚宇光纤通信技术有限公司等均推出了1-5 kW级腔镜用高功率光纤光栅系列产品，已经完全实现了自主可控，打破了我国高功率光纤激光器产业关键器件缺失的核心问题。
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作为“滤波器”
净化高功率光纤激光器激发的非线性效应
激光非线性效应是指在高功率激光作用下，光纤纤芯介质产生非线性极化，进而引起受激非弹性散射效应：包含受激拉曼散射效应（stimulated Raman scattering, SRS）、受激布里渊散射效应（stimulated Brillouin scattering, SBS）；以及非线性折射效应：包含相位调制效应（phase modulation, PM）、四波混频效应（four-wave-mixing, FWM）等。激光非线性效应会导致高功率光纤激光器输出功率受限、光谱展宽、光束质量恶化甚至导致激光器系统烧毁。因此，如何净化高功率光纤激光器内部的非线性效应成为我国激光产业界亟待解决的问题。
近年来，科研人员发现利用特殊结构光纤光栅的独特滤波特性可以将非线性效应从光纤纤芯内部剥除，进而达到净化激光非线性效应的目的。并且由于光纤光栅自身具有的集成度高、兼容性强的特点使基于光纤光栅的非线性效应抑制技术迅速成为激光领域的研究热点之一。
① 基于啁啾倾斜布拉格光纤光栅（chirped and tilted fiber Bragg grating, CTFBG）的SRS效应抑制技术
CTFBG的周期通常在亚微米量级，属于短周期光纤光栅。与普通FBG相比，CTFBG的栅面与光纤轴向存在一个夹角，进而使其具备能够将前向传输的纤芯模式耦合至后向传输的包层模式的能力（CTFBG还会将微量的前向纤芯模式耦合至后向纤芯模式），如图1所示。因此，利用CTFBG的这一特点，通过控制CTFBG的周期、长度、啁啾率等参数，使得CTFBG的损耗峰与SRS效应激发的斯托克斯光光谱配准，就能够将SRS效应从纤芯耦合至包层，并利用光纤激光器自身的包层光剥离器将其从激光器系统中彻底剥除，最终达到净化SRS效应的目的。
自2017年以来，拉曼抑制型CTFBG的制作技术不断发展，承载功率从百瓦量级突破至现在的数千瓦级，该项技术已经被激光产业所认可。加拿大的Teraxion公司、国内的南京理工大学、珠海光库科技股份有限公司均推出了成熟的CTFBG产品，其承载功率在3-5 kW不等，并在激光产业中得到了批量的应用。CTFBG可以熔接于MOPA系统的种子源与放大器之间，也可以熔接于振荡器和MOPA系统放大器的输出端（剥离器之后）。其用途主要包括：一、降低或抑制激光器系统自身激发的SRS效应；二、阻止后续系统（传能光纤、激光加工装置等）激发或反射的SRS效应进入到激光器的谐振腔或放大器中，进而避免因SRS效应被谐振腔或放大器急剧放大而导致的激光器损毁。
但是CTFBG还需要在两个方面进行优化：
第一，需要降低CTFBG的插入损耗。由于CTFBG不仅能够将SRS效应耦合至包层中，还会将一小部分信号激光也耦合至包层中，进而被剥离器剥除。若将CTFBG放置在振荡器或放大器的输出端时，将导致激光器的输出功率出现约3%-4%的下降，这是我们不希望看到的。目前的主流解决方案是通过轻微牺牲SRS效应的抑制率来降低CTFBG自身的插入损耗。举个例子，当CTFBG的SRS效应抑制率在99%以上时，其对信号光的插入损耗将超过3%；而若将CTFBG的SRS效应抑制率降低至90%左右时，其对信号光的插入损耗则能够降低至2%左右。
第二，需要提升CTFBG的承载功率。随着国产激光器功率的不断提升，也对CTFBG的承载功率提出了更高的要求，承载功率突破万瓦是CTFBG的下一个目标。而利用飞秒激光光刻技术制作CTFBG似乎成为一条可行的技术路线，南京理工大学、国防科技大学等均在该技术方向上进行了布局。相信随着CTFBG制作技术及工艺的不断成熟，其在激光产业中的应用也将越来越广泛。
② 基于长周期光纤光栅（long-period fiber grating, LPFG）的SRS效应抑制技术
LPFG不会将前向纤芯模式耦合至后向纤芯模式，这使LPFG的使用安全性相比于CTFBG更高（CTFBG会将极微量的SRS效应耦合至后向传输纤芯模式中，在极高功率下这部分SRS效应可能会被谐振腔或放大器放大，导致系统自身激发的SRS效应暴涨）。该技术路线最早由德国耶拿大学提出，国内南京理工大学以及国防科技大学也对此展开了深入研究。2020年南京理工大学研制出的拉曼抑制型LPFG首次突破千瓦，为该技术的工业应用奠定了基础。
虽然说相比于CTFBG，LPFG的插入损耗更低（对信号光的损耗小于1%）、制作成本更低、安全性更高，但是LPFG存在的最大问题便是其自身对环境的高敏感性。应力、弯曲、温度、湿度等环境因素地轻微变化都会导致LPFG的周期等参数发生改变，进而导致LPFG的损耗峰发生漂移（与SRS效应光谱失配），造成SRS效应抑制效果下降。因此，研发更高效的降敏封装措施是LPFG目前亟待解决的问题。
③ 基于倾斜布拉格光纤光栅（tilted fiber Bragg grating, TFBG）的SBS效应抑制技术
SBS效应是高功率单频或窄线宽光纤激光器研制过程中需首要解决问题之一。当达到SBS的激发阈值时，前向激光功率将出现滞涨现象，注入的激光能量将转换成后向传输的斯托克斯光，将对窄线宽光纤激光器造成严重损伤。
④ 基于相移长周期光纤光栅（phase-shifted long-period fiber grating, PS-LPFG）的非线性折射效应抑制技术
非线性折射效应（包含相位调制效应、四波混频效应等）主要引起光纤激光器输出光谱的展宽，这也是高功率窄线宽光纤激光器亟需解决的问题之一。针对该问题，南京理工大学提出了一种利用PS-LPFG抑制高功率光纤激光器输出光谱展宽的方法。
PS-LPFG属于长周期光纤光栅，因此其也能够将前向传输的纤芯模式耦合至前向传输的包层模式中。而与普通LPFG不同的是PS-LPFG的中间存在一个相移量，这样PS-LPFG的损耗峰就会发生分裂，进而在损耗峰中产生一个通带。因此，通过控制PS-LPFG的周期、长度、相移位置以及相移量大小都能参数，就能够使PS-LPFG的阻带与非线性折射效应引起的展宽激光配准，同时也使PS-LPFG的通带与信号激光配准。这样展宽激光将被PS-LPFG耦合至包层，而信号激光则可以几乎没有任何损耗地在纤芯中继续向前传输，如图4所示。
这一方法与国防科技大学提出的利用TFBG抑制SBS效应方法有着异曲同工之妙，均采用带通滤波器来对分布在信号激光两侧的非线性效应进行滤除。但是，如何使PS-LPFG的通带半高全宽达到亚纳米量级（目前研制的PS-LPFG半高全宽通常在2-5 nm），且同时阻带半高全宽能够保持在10 nm量级以上，是PS-LPFG能否用在高功率窄线宽光纤激光器的关键。由于PS-LPFG属于长周期光纤光栅，提高其抗环境干扰能力也是未来待解决的核心问题之一。
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未来展望
① 向更高承载功率方向发展
随着光纤激光器产品功率突破万瓦，产业界也对光纤光栅提出了更高承载功率的要求。但是光纤光栅制作过程中的再涂覆工艺是限制其承载功率提升的主要因素，再涂敷过程中产生的灰尘、气泡、裂痕等都会导致包层光泄漏至涂覆层中并造成涂覆层发热，且随着功率进一步提升将会导致光纤光栅涂覆层烧毁。而由于涂覆层对800 nm激光高透，因此未来可利用800 nm的飞秒激光在不剥除涂覆层的情况下来制作高功率光纤光栅，这样或许能够使光纤光栅的承载功率突破5 kW甚至更高。
② 向更长波长方向发展
中红外波段覆盖了多个大气透射窗口和重要分子吸收区，使得中红外光纤激光器在生物医疗、传感以及军事国防等领域应用广泛，成为激光领域着重发展的方向之一。而中红外光纤光栅是推动中红外光纤激光器向更高功率、更高效率发展的关键技术之一。因此，中红外光纤光栅的研制技术必将成为未来的一个研究热点。
③ 向偏振控制技术方向发展
能够输出线偏振特性激光的高功率光纤激光器在激光雷达、空间探测、高精度传感系统等领域发挥着重要作用。目前，线偏振光纤激光器通常采用保偏光纤来实现线偏振激光输出，而采用具有45°倾斜角度的CTFBG提供了一种新的方案，该方法仅在普通高功率光纤激光器中熔接一或数个CTFBG就能够实现线偏振激光输出。相比于传统方法，该方法能够降低激光器的制作难度与成本，相信会成为未来高功率光纤光栅的主要发展技术路线之一。
作
者
简
介
矫岢蓉，博士生，南京理工大学电子工程与光电技术学院
卞殷旭，讲师，南京理工大学电子工程与光电技术学院
沈华，教授，博士生导师，南京理工大学电子工程与光电技术学院
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