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揭秘高功率光纤激光器中的非线性效应

光电汇OESHOW

2021-09-09

导读：探索那些你不知道的事情~

文 / 高利润，上海飞博激光科技有限公司

无处不在的非线性现象

按照1968年上映的电影《2001太空漫游》（图1）中的描述，2001年的人类已经建成了巨大的月球空间基地，有宇宙飞船往返于各个行星之间。然而现实是，人类仍然还在为重新登陆月球而努力，我们距离前人的预期相距甚远，这不禁让人问为什么？

图1 电影《2001太空漫游》海报

一种被普遍接受的解释是：在人类内耗和有限资源的限制下，科学技术发展呈现出了明显的非线性。即在现实情况下，在经历一段时间线性甚至是爆炸式增长后，科技发展会趋于平缓，甚至陷入停滞，表现出典型的非线性。

自然现象就其本质来说，都是复杂的、非线性的，只是在一些特定情况下可以近似为线性。非线性现象与热力学第二定律、熵増定律一样，都是决定物理世界运行规律的基本原理之一。

这种非线性现象普遍存在于各个领域。例如在经济学领域，在投资增加到一定规模后，回报会逐渐降低，被称为“边际效应递减”；在社会学领域，一个国家的人口受制于资源总量，不会无限扩张，会落入著名的“马尔萨斯人口陷阱”；在生物学领域，一个种群的增长也表现出明显的饱和效应，在达到一个峰值后不再增加；在物理学领域，非线性现象更为显著，以非线性光学、非线性动力学、量子混沌等新兴学科构成的非线性物理学一直是几十年来的研究热点。

光纤激光器中的非线性光学效应

在激光技术领域，同样的局面也在发生。近年来，商用高功率光纤激光器的输出功率不断提升，正逐步完成对传统固体、气体激光器的市场替代。随着半导体泵源和高功率元器件的进步，光纤激光器的输出功率经历了快速增长，但是在近期这一趋势却趋于平缓。

究其原因便是存在于光纤中的各种非线性光学效应的限制，比如受激拉曼散射（SRS）、模式不稳定（TMI）、受激布里渊散射（SBS）、四波混频（FWM）、自相位调制（SPM）等。

在高功率光纤激光器中，由于光纤长度长（约几十米）、模场面积小（纤芯直径约0.1 mm），导致光纤内光功率密度极高，以市场上输出功率为20 kW的高功率光纤激光器为例，其输出光纤内功率密度约为3×10¹²W/cm²，这个数值是太阳亮度的约10亿倍，在如此高的能量密度下，会造成石英材料极化率的非线性变化，导致各种非线性光学效应的产生。

高功率光纤激光器中的非线性效应

下面对光纤激光器中常见的非线性效应做简单介绍。

1）受激拉曼散射

图2 石英光纤的拉曼增益谱

其作用实质是入射激光达到一定的功率水平后，在光纤内形成了一个周期分布的折射率光栅进而对入射光形成了散射，光栅的移动又造成了散射光波长的漂移，导致了新的波长成分的出现，从而消耗了泵浦光。

受激拉曼散射是目前限制激光功率进一步增加的主要原因之一。这个过程可以理解为一种能量转换机制，将能量从原本我们希望得到的信号波长转移到散射光之中。在切割、焊接等加工应用中，拉曼散射光会加剧材料表面反射，如果返回到激光器中还会造成器件损坏。尽管受激拉曼散射会降低输出功率、限制可用尾纤长度，但是充分利用受激拉曼散射也可以扩展激光器的输出波长，增加使用的灵活性。图2为石英光纤的拉曼增益谱图。

2）模式不稳定

图3 模式不稳定现象实验结果

近几年人们才发现的一种存在于大模场光纤中的物理现象，是限制激光功率进一步增加的又一个重要原因。其根源来自激光器中的热效应，由于量子亏损等因素导致有源光纤内部会产生大量的热量，而这些热量会在光纤内形成一种长周期的折射率光栅，在达到一定的阈值后，会造成激光能量在基模到高阶模之间的周期性耦合。模式不稳定会限制功率进一步提升，并造成光束质量急剧退化、输出光斑快速变化，影响激光加工质量的稳定性。图3为模式不稳定现象实验结果图。

3）受激布里渊散射

图4 受激布里渊散射过程示意图

作用原理和受激拉曼散射类似，同样会把能量转移到新的波长成分，区别在于其发生的阈值更低，波长漂移量远小于受激拉曼散射，并在光纤中形成后散射光沿后向传输，导致泵浦功率快速消耗并威胁后向元器件的安全，图4为受激布里渊散射过程示意图。受激布里渊散射是限制窄线宽光纤激光器功率提升的主要因素，而且会进一步引起自脉冲效应等不稳定现象。

4）四波混频

图5 四波混频产生新频率分量示意图

即在光纤中两个或三个特定波长的光波在传播时受三阶非线性极化率的作用下，会产生新的波长成分，这个过程被称为四波混频。四波混频会带来一定的危害，比如在窄线宽激光器中会造成激光线宽的显著增加，在通信系统中会造成不同信道间的信号串扰等；但是四波混频在一些特殊应用中发挥了重要的正面作用，比如信号放大、相位共轭、波长变换、超连续谱产生、量子通信等。图5为四波混频产生新频率分量示意图。

5）自相位调制

图6 初始脉宽为1 ps的无啁啾脉冲在经历了强的自相位调制后的光谱

受外界扰动和光纤内部折射率分布不均匀性等因素影响，输出激光的强度在时间上存在一定程度的抖动。而光纤内部的折射率又和入射光强相关，因此输出的强度抖动通过自相位调制产生新的频率成分。这对于常规的连续光纤激光器影响较小，但是对于脉冲激光器来说会造成明显的脉冲形变，对窄线宽激光器会造成输出光谱的展宽。图6为初始脉宽为1 ps的无啁啾脉冲在经历了强的自相位调制后的光谱图。

持续钻研，不断探求非线性抑制新技术

由此可见，想要获得高功率光纤激光输出，首先就是要找到抑制光纤中各种非线性效应的方法，这涉及到诸多科学和技术难题。飞博激光通过多年来的持续钻研，形成了一整套应对各种非线性效应的技术方案。例如通过提升元器件工艺、优化系统设计，有效抑制了受激布里渊散射，20 kW激光器产品可用光缆长度达40 m，如图7所示；通过光纤盘绕、优化散热等技术实现了对模式不稳定的有效抑制；使用相位调制技术、放大级结构优化等手段实现了对受激布里渊散射和自相位调制效应的有效抑制，高功率窄线宽激光输出实现了持续突破。