文 | 石梦悦1，吴勇1，李洁1，方志伟1，王嘉琎1，慕桓2，义理林1
1 上海交通大学电子信息与电气工程学院区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室
全光纤高功率窄线宽连续激光器具有光束质量高、可靠性好、电光转换效率高、体积小和热管理方便等优点，在相干合成、非线性频率转换等科学研究，工业加工和军事攻防领域具有重要的应用。1 μm波段高功率窄线宽激光器可用于铝合金等金属的厚板焊接，提升熔透深度；此外，还可通过倍频晶体转化为绿光，因金属材料对绿光的吸收率远大于中红外，其较高的输出能量密度能有效提高激光切割、焊接等过程的加工效果。
为满足这些应用需求，需要多路光纤激光进行相干或光谱合成，以输出具有极高功率的激光，因而对单个激光器性能提出更高的要求，即保证输出光束质量的前提下，不断提高发射功率，这也是当前高功率激光器的主要研究目标。
直接振荡器结构的窄线宽连续激光器具有较优的激光模式分布，但谐振腔提升了激光功率密度，对有源光纤的损伤阈值要求较高，导致输出功率受限。以一定波长的激光输出作为种子源，其功率在主控振荡器功率放大（MOPA）结构中被进一步放大，可以形成更高的功率输出。MOPA结构易于调控且功率提升性能显著，被认为是高功率连续光纤激光器的首选结构，还可用于纳秒脉冲光放大，提升激光雕刻的质量和效率。
理想情况下，激光器输出功率与泵浦功率或增益系数呈近线性关系。然而，当输出功率不断提升时，受光纤中多种非线性效应的影响，例如交叉相位调制、受激拉曼散射效应、受激布里渊散射（SBS）效应和四波混频，输出功率曲线进入非线性区并呈现增益压缩现象，进而限制最高功率输出并降低功率转化效率。其中，光纤中的SBS效应阈值最低，成为限制激光器最高输出功率的瓶颈问题。
传统的SBS效应抑制方法有四种，包括使用有效模式面积较大的光纤，控制温度或应力梯度以改变布里渊增益谱，降低光纤的有效长度或增加种子线宽。其中，利用相位调制拓宽种子源带宽的方案具有操作简单可控、功率提升效率高等特点，成为抑制大功率光纤激光器中SBS效应的研究热点。
近几年，研究人员分析了种子源展宽后的相对强度噪声演变、泵浦模式和调制类型等因素的影响，以提高激光性能。特别是外相位调制的驱动信号控制是保证激光质量和最大输出功率的关键步骤之一。
此外，近年的研究发现，当激光功率进一步增加时，正向输出会产生时域自脉冲现象。饱和吸收、受激拉曼散射和受激布里渊散射效应均可引起大功率掺镱光纤激光器中的自脉冲效应，其特性与增益光纤的模场特性相关。其中，SBS效应具有较低的阈值，在功率放大过程中容易产生弛豫振荡，形成一系列纳秒量级的脉冲串，进而引发自脉冲效应。相位调制信号的随机脉冲容易刺激后向一阶SBS效应，触发前向二阶斯托克斯光。随着激光功率的增加，正向随机脉冲急剧增加，其具有峰值功率高、脉宽短、随机性强等特点，超高的瞬时能量将严重威胁高功率激光系统的安全。
基于MOPA结构的全光纤高功率激光是由种子源产生所需频率的激光，经过多级功率预放大后，采用掺镱光纤进行主放大处理，该过程可将种子光功率从几十瓦量级提升至千瓦量级，受激布里渊散射（SBS）效应极易在此过程中产生。这有四种提升SBS效应阈值的方法：
增大光纤有效模场面积。尽管使用大模场面积的光纤可以有效抑制SBS效应，但是受限于光纤和激光器类型，同时受光子暗化效应的影响，激光输出功率有限，进而限制其在工业领域的应用。
改变布里渊增益谱。通过施加温度、应力等手段，可有效降低布里渊增益峰值，从而提高SBS效应阈值。2013年，中国科学院上海光学与精密机械研究所从理论上分析并实验验证了对增益光纤施加20个应力梯度，辅以相应的温度分布，SBS效应的阈值提升了7倍。但为获得更好的阈值提升效果，需要更大范围的应力和温度控制，增加系统负担，同时受光纤承受能力的限制，SBS效应的最大阈值提升有限，不适用于军事上光纤激光器的输出功率提升。
减小光纤有效长度。在增益光纤中掺杂介质，可减小增益光纤的有效长度，进而提升SBS效应的阈值。相比于脉冲输出，高功率连续激光输出需要更高的增益系数，实际应用中增益光纤长度通常在米量级，持续高能量累积对增益光纤等的耐辐射能力等提出更高的要求，单纯通过减小有效长度的方法，获得的激光功率阈值提升效果有限，难以满足千瓦量级的应用需求。
相位调制展宽种子源线宽。通过相位调制展宽种子光线宽，降低平均功率的同时不会改变种子源总功率，可以有效降低SBS效应的峰值功率，阈值提升较高，十分适合MOPA结构的高功率光纤激光器。
上述几种SBS效应抑制方案的优缺点，如表1所示。综合考虑制作工艺复杂度、SBS效应阈值提升度及可操作性等因素，在有效带宽内，利用相位调制拓宽种子源带宽的方案具有操作简单、可控度高、功率提升效率高等特点，成为抑制大功率光纤激光器中SBS效应的研究热点。下面我们将详细介绍不同相位调制格式的激光器性能。
表1 SBS效应抑制方案的优缺点对比
基于相位调制的种子源光谱展宽方法，对提高MOPA结构光纤激光放大系统中的SBS效应阈值具有显著的效果。传统的调制方案包括正弦信号调制、白噪声源（WNS）调制和伪随机二进制序列（PRBS）调制，调制后的输出频谱幅度包络根据贝塞尔函数的形式展开。
近几年，调P序列、多频信号、啁啾调制等新型方案被提出，以提升种子源光谱的调节灵活性，优化光谱谱型并提高激光器功率阈值。下面将对上述多种相位调制方案进行详细的介绍与比较。
尽管使用正弦信号进行频谱展宽较易实现，但受限于相位调制器的调制深度与可承受微波功率，展宽带宽有限且展宽后为完全分离的频谱，SBS阈值提升能力有限。
白噪声源（WNS）的输出功率谱在整个频段内是连续的，成为光谱展宽的优良选择。但功率谱分布仅限于高斯形状，通常采用级联相位调制的方案来实现具有较大带宽的高斯形种子源频谱，一定程度上带来更高的成本。此外，其时域序列的随机性会导致随机尖峰，限制最大激光输出功率。
2007年，美国的奥兰公司申请一份关于利用白噪声作为相位调制驱动信号抑制 SBS效应的专利，随后，WNS调制被广泛研究并应用于工业生产中。2017年，国防科技大学针对单频激光器经相位调制展宽后，通过结合白噪声相位调制和SPGD算法偏振控制得到高功率窄线宽激光功率放大，整体实验结构如图1所示。2020年，中国工程物理研究院应用电子研究所采用白噪声相位调制方法，研究MOPA结构激光器功率放大过程中SBS效应和自脉冲效应的抑制方法。
图1 白噪声相位调制结合SPGD算法偏振控制的高功率窄线宽激光功率放大实验图
伪随机二进制序列（PRBS）是一个经典的序列，其中“0”和“1”比特以相等且随机的概率出现，其频谱分布是具有类高斯包络的频率梳，具有等间距的离散光功率谱密度，谱线间距是调制频率和模式长度的函数。通过控制频率间隔，RRBS的光谱可以实现与WNS调制情况下等效的输出功率，这为种子源光谱展宽提供了一种数字解决方案。
PRBS的频谱特征和白噪声非常接近，在一定宽度的频域里保持均匀的功率密度谱。法国戴高乐大学和美国加州大学的研究人员最早开始PRBS用于高功率激光器种子源调制信号的研究。之后，美国空军基地的Zeringue等搭建实验平台验证PRBS信号在高功率激光器中抑制 SBS效应的效果。2020年，中国科学院上海光学精密机械研究所通过理论仿真和实验验证调节PRBS谱线间隔，提升窄线宽光纤放大器输出功率的可行性，该系统展现出良好的SBS效应抑制效果，如图2所示。
图2 PRBS调制信号优化。（a）PRBS调制信号和低通滤波后相位调制信号的频谱 ；（b）调制频率为8.5 GHz的PRBS7经2.2 GHz低通滤波后的测量频谱图（插图：4 GHz宽频谱图）；（c）调制频率为8.5 GHz的PRBS9经2.2 GHz低通滤波后的测量频谱图（插图：4 GHz宽频谱图）。
WNS和PRBS相位调制技术在一定程度上抑制了SBS效应，提高了大功率窄线宽光纤激光器的输出功率。但WNS和PRBS所获得的光谱是高斯形，谱型的调节灵活度较低，实验研究表明，近矩形的光谱具有更佳的功率阈值提升效果，这为后续的光谱优化方案提供了思路。
2020年起，上海交通大学义理林课题组基于高阶相位调制和种子源展宽光谱优化，探索激光器功率提升新方案。通过增加相位调制深度，可以激发更多的高阶边带，利用单个相位调制器即可获得具有宽带宽的展宽信号。
高阶相位调制下光谱的谱型控制难度较大，义理林课题组的研究利用任意波形发生器（AWG）的高精度可控性，设计可编程电驱动信号，以灵活控制展宽频谱形状和带内功率分布。通过改变二进制序列“0”和“1”在时域的序列分布，可以形成由“0”和“1”在时域和频域的特定分布组成的多种信号。序列中相邻比特之间的反转概率（从“0”到“1”或从“1”到“0”）被定义为P，这种序列类型被定义为反转概率可调的调P序列。
图3 不同P 值下的调P序列幅度包络仿真图
调P序列除了调整驱动信号的幅度、频率和带宽外，还可以通过调整驱动信号的频谱类型来实现展宽频谱的谱型设计。
义理林团队提出的调P序列调制可以通过改变相邻比特的反转概率，简单地修改调制频谱类型，从而显示出更好的非线性抑制性能。随着反转概率P的增加，高频分量的能量也增加。调P序列易于实现和调节，可以通过改变比特率和幅度实现频谱带宽调节。采用低带宽的单级高阶相位调制，即可实现宽带宽的光谱，可有效降低结构复杂度和尺寸。实验实现了可调谐带宽高达 30 GHz的近似矩形光谱展宽，而驱动单带宽低于1.5 GHz。这种频谱控制的灵活性是前三种方案难以实现的。
此外，该时间序列是预先设计的，与WNS的高时域随机性相比，在展宽光谱中的随机尖峰要少得多，具有更高的功率阈值和信号稳定性，从而提升激光输出功率的稳定性。
2017年，美国陆军研究实验室的White等利用啁啾种子源打乱激光器和斯托克斯波之间的相干性，以提升高功率光纤放大器中SBS效应的阈值。采用移除外镜后的垂直腔表面发射二极管激光器产生啁啾信号，引入光电反馈环路线性化啁啾频率的同时，稳定输出功率。研究进一步提出，对于多个功率放大器的相干合成，可以采用移相器补偿静态和动态的路径长度差异以稳定相位随时间的线性抖动。该方案适用于周期为μs~ms量级的啁啾信号调制下，光谱带宽为1~100 nm的种子光功率放大过程的SBS效应抑制。
对于周期为10~100 ns的啁啾调制与光谱合束所需的亚纳米级光谱，2019年，White等进一步研究了分段抛物线相位的啁啾调制方案。结果显示（图4），锯齿或三角形线性频率啁啾调制可以提高SBS效应阈值，并实现紧凑的展宽频谱。但是，扫频周期、相位和放大过程的光纤长度需要通过精确的计算匹配。
图4 （a）锯齿（实线）和三角形（虚线）频率啁啾的相位（上）和频率（下）随时间变化；（b）不同调制格式下，激光功率与后向斯托克斯波功率的仿真图
当前，绝大多数种子源的展宽光谱幅度包络局限于高斯或平顶形，对于具有最高激光功率阈值的种子源光谱类型探索不足，仍需对驱动信号进行优化设计。
自定义多频信号具有包括幅度、频率、频率间隔、带宽和相位等多维度的设计能力，可以实现展宽频谱和带内功率分布的高精度控制。为了补偿光电器件在高频下的弱响应性，驱动信号的高频分量应该比低频分量具有更高的幅度。该方案具有更多维度、更高精度的谱型调节空间，可拓展至任意谱型的信号设计。
多频信号具有多维控制灵活性，但驱动信号带宽通常在GHz量级，频率间隔为kHz或Hz，大大增加了设计复杂度。义理林团队提出了二值化多频信号以保持可配置的调谐性，同时降低设计复杂性（图5）。
图5 二值化多频信号的时域和频域仿真图。（a）时域；（b）频域
除了上述调制信号设计方案，基于优化算法的驱动信号也被应用到种子光谱展宽的研究中。2018年，南安普敦大学光电子研究中心的Harish等理论上研究对周期性相位调制进行非线性优化，抑制单模光纤中SBS效应的方法。仿真采用非线性多目标Pareto优化方法（图6），使用含噪声的时间幅度域有限差分布里渊求解器，找到最佳的相位调制模式。该项研究提供了一种光谱展宽调制信号的优化思路，但没有考虑到激光放大机制中的阈值影响，相关研究仍在进行中。
图6 Pareto算法优化结果。（a）SBS效应阈值功率与激光RMS线宽的关系图；（b）SBS阈值和长度的乘积值与激光RMS线宽的关系图
采用外相位调制进行光谱展宽的种子源，在MOPA结构激光功率放大系统中表现出优良的性能，调制信号类型从传统的白噪声、PRBS、单频信号，正在向调P序列、多频信号、啁啾信号等具有更多维频谱调节灵活度的方向发展。
此外，梯度下降法、多目标函数优化等多种算法也逐渐被应用到谱型的优化过程，以分析不同调制谱型对激光功率阈值的影响，兼顾高光束质量、高稳定性的同时，探究高功率激光器的功率极限。随着人工智能的发展，未来有望建立实时激光功率放大模型，实现智能化的种子源光谱设计与优化，为不同的应用场景与需求提供谱型设计思路。
本文改写自《激光与光电子学进展》期刊上发表的“基于光谱展宽的高功率窄线宽激光器研究进展”一文，已获作者授权，点击“阅读原文”查阅原论文。
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