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实现光纤激光高功率高品质输出关键器件——受激拉曼抑制器RSS

光电汇OESHOW

2021-12-12

导读：不断突破瓶颈，实现高品质高功率的激光输出

光纤激光器问世以来，以其功率高、光束质量好、结构紧凑等诸多优势备受关注，而高功率连续光纤激光器作为科研和产品实现较早的一类激光器，近十几年来发展十分迅速，各项指标一再被刷新，在工业、国防、基础科研等多个领域发挥着重要作用。同时对更高功率、高稳定性、高光束质量的光纤激光输出需求增大，在不断实现和刷新指标过程中，对于两类非线性效应的抑制成为了关键因素，即热致模式不稳定性（TMI）和受激拉曼散射（SRS）。

热致模式不稳定TMI

2010年，Jena课题组首次报道了TMI现象，TMI起源于热效应，当光纤激光的输出平均功率超过TMI阈值时，光纤中不同横模之间便会能量转移，通过折射率周期变化的热致光栅结构来进行。

当光耦合进大纤芯光纤后，能量大部分流入基模，少部分流入第一高阶模。不同横模在光纤中相速度的差异导致了模间干涉图样的产生，使得纤芯中的光场呈现强弱交替的准周期性分布。相对于弱的光场，强光场区域的反转粒子数耗尽更快，所以这种光场的准周期性分布会使得反转粒子数也呈现出横向不均匀的准周期性分布。反转粒子数的变化会影响功率放大和能量提取能力，随之便会产生横向不均匀的准周期性分布的温度场。温度分布的差异性会在热光效应的影响下生成准周期性分布的折射率光栅，这就是光纤中热致折射率光栅的产生过程，图1所示^[1]。

图1 TMI现象的基本物理图象

一般地，采用以下几种方法弱化TMI的影响：

（1）通过调整泵浦源的波长降低量子亏损，进而减小系统中的热效应，比如采用1018 nm进行泵浦，或者不同波长搭配泵浦等。

（2）通过设计不同的波导结构，采用支持基模的大模场面积光纤作为链路增益介质，比如3C手性耦合纤芯光纤，大模场光子晶体光纤等。

受激拉曼散射SRS

1962年受激拉曼散射SRS被观察到。量子力学认为：入射光波的一个光子被一个分子散射成为另一个低频光子，同时分子完成其两个振动台之间的跃迁。入射光作为泵浦产生称为斯托克斯波的频移光^[2]。当功率超过阈值后部分激光功率转移到另一频率下移的激光波长中，从而降低了信号激光的功率和转换效率，并且后向传输的斯托克斯光会损坏系统中的光器件，严重影响光纤激光器的稳定性和可靠性^{[3] [4]}。

连续波受激拉曼散射的阈值功率：

A_eff为光纤有效模场面积，L_eff为有效光纤长度，g_R(Ω) 是拉曼增益系数

一般地，采用以下方法来抑制SRS：

（1）增加有效模场面积，减小光纤长度来提高SRS阈值；

（2）通过对光谱的控制来抑制SRS；

（3）通过光纤滤波器对受激拉曼光进行抑制。

抑制SRS在实际应用中的重要意义

高品质的若干千瓦级连续激光在切割、焊接等多种工业应用以及国防应用领域发挥着重要作用，对于SRS的抑制是非常必要的环节。主要体现在以下几个方面：

（1）有效抑制SRS可以增加应用中输出激光末端QBH的长度，从而增加了导光结构的灵活性，在工业加工中十分受用，有些方法可以将末端无源纤增加10 m以上，图2所示。

图2 kW级连续光纤激光器及其输出光纤

（2）SRS会导致信号光功率下降，并且导致模式不稳定和差的光束质量，在有效抑制SRS的基础上，可以增加输出功率和稳定性，同时获得更好的作用效果，图3所示^[5]。

图3 SRS引起的功率不稳定导致了较差的加工效果

受激拉曼抑制器

（Raman Scattering Suppressor）

图4 受激拉曼抑制器RSS示意图

在达到阈值时，受激拉曼散射SRS可能出现在光纤激光链路上的多个位置，甚至可以有多级stokes光，对功率及其稳定性不利。受激拉曼抑制器RSS的本质是一个啁啾倾斜光栅CTFBG，图4所示，通过设计刻写光栅的参数实现一个双向滤波的作用，可将来自正反两个方向的SRS从纤芯滤除到包层里，免于SRS指数增长而造成的积累，进而保证了信号光的正常增益和光谱的稳定，图5所示。

图5 RSS在实际应用中滤除正反两个方向SRS原理图

实际测试中，以一套用于切割的光纤激光器的光路为例，逐渐增加输出光纤的长度和激光功率，直到产生的SRS到一定程度引起功率不稳定，在链路上带有和不带有RSS的情况下进行对比，可见前者可以支持更高功率输出和稳定性，同时也支持更长的传能光纤的应用（实验中为37 m），图6图7所示，这在实际激光加工中有着非常重要的意义。

图6 带有RSS的光纤激光器光路结构

图7 不同情况下的输出光纤长度及功率变化

目前实际应用对于市场上常见的3 kW的光纤激光器的模式和功率稳定性提出了更高的要求，所以高的信噪比（特指SRS抑制比>20 dB）成为衡量3 kW单模激光的重要指标。没有RSS情况下信噪比为21 dB，加入RSS信噪比>40 dB，图8所示，显而易见继续增加功率，后者将比前者有更好的表现和潜质^[6]。

图8 3 kW时，没有RSS情况下信噪比为21dB，加入RSS信噪比>40dB

2019年报导了基于级联泵浦方式和拉曼光谱滤波技术，图9图10所示，在光纤激光振荡器和放大器之间加入受激拉曼抑制器RSS来滤SRS如图所示，并且对比了不使用CTFBG、使用一个CTFBG 以及使用两个CTFBG对SRS的抑制效果，最终激光输出功率4.2 kW，SRS 抑制比大于15 dB^[7]。

图9 级联泵浦光纤激光器中抑制 SRS 的实验结构示意图

图10 输出光谱随泵浦功率的变化。（a）不使用 CTFBG；（b）使用一个 CTFBG；（c）使用两个 CTFBG

2020年报导了光纤激光产品研发课题组设计了一种MOPA结构的光纤激光器，实现了最高5.102 kW近衍射极限的光纤激光输出。光学结构由976 nm LD 泵浦光纤芯径20/400 μm 掺镱体系光纤振荡器，采用了一种倾斜式光纤光栅对振荡器输出的信号光进行光谱滤波，提升了放大器种子光的光谱纯度，有效地减缓了放大器的SRS效应，成功提升了MI阈值。实现了最高5.102 kW近衍射极限的光纤激光输出，中心波长1080.21 nm，放大器斜率效率78.34%，图11所示。

图11 5.102 kW输出光谱及功率、光斑情况

结论

工业激光系统可以通过受激拉曼抑制器RSS获得以下几个方面的改善，图12所示。

1. 增加传能光纤QBH的长度，方便加工应用；

2. 提高抗回返反光的能力，尤其对高反材料的加工，降低其对激光系统的损坏；

3. 保证系统稳定的高功率的输出和好的光束质量，进而保证良好的切割和焊接效果；

4. 注入功率一定的情况下，有效地提高信号光的转换效率，间接地提高系统的输出功率。

图12 受激拉曼抑制器RSS在实际应用中的结构位置

非线性效应在高功率实现过程中在所难免，需要简单、切实、有效的方法来抑制。受激拉曼抑制器从实际应用侧很好地克服了SRS带来的不利影响，实现了高品质高功率的激光输出，随着光纤激光技术的不断发展，更多更高品质的激光光源系统将被应用在工业加工、国防科技和基础科研当中，不断突破瓶颈，为我们的生活带来高科技的便利。

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参考文献

[1] C. Jauregui, C. Stihler, and J. Leimpert, “Transverse mode instability,” Advances in Optics and Photonics 12, 429 (2020).

[2] 《非线性光纤光学原理及应用》P188.

[3] JAUREGUI C, LIMPERT J, TUNNERMANN A. High-power fibre lasers[J]. Nature Photonics, 2013, 7（11）: 861-867.

[4] TER-MIKIRTYCHEV V V. Fundamentals of Fiber Lasers and Fiber Amplifiers[M]. Cham: Springer, 2014.

[5] Y.Wang et al., Proc. SPIE, 1126022(Feb. 21, 2020).

[6] Laser World of Photonics, May 2021, 43.

[7] WANG M, WANG Z F, LIU L, et al.. Effective suppression of stimulated Raman scattering in half 10 kW tandem pumping fiber lasers using chirped and tilted fiber Bragg gratings[J]. Photonics Research, 2019, 7（2）: 167-171.

[8] 罗韵,赵鹏飞,游云峰,欧阳丽娥,邹东洋,黄智蒙,吴文杰,温静,廖若宇,史仪,杨先衡,吴思辛,王建军,景峰. 5.1 kW光电控一体式单模光纤激光器[J]. 中国激光, 2020, 47(8): 0816001.

本文转载自“凌云光子”公众号