高功率光纤激光器中受激拉曼散射抑制的创新方法研究
作者及发表信息
本研究由北京航天控制仪器研究所的Jiazheng Wu、Miao Yu等团队完成，发表于期刊Photonics 2025年第12卷。论文标题为《A 5 kW Near-Single-Mode Oscillating–Amplifying Fiber Laser Employing a Broadband Output Coupler with Simultaneous Raman Suppression and Spectral Narrowing》，DOI编号为10.3390/photonics12080813。
学术背景
高功率光纤激光器因光束质量优异、功率密度高、光光转换效率（O-O效率）突出等优势，广泛应用于工业制造、医疗和国防领域。然而，功率提升的主要限制因素包括受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和横向模式不稳定性（Transverse Mode Instability, TMI）。传统的主振荡功率放大器（MOPA）结构虽能实现10 kW输出，但存在系统复杂、成本高、热管理困难等问题。振荡-放大一体化光纤激光器（Oscillating–Amplifying Integrated Fiber Laser, OAIFL）通过共享泵浦源和光纤，兼具高功率和紧凑性，但其商业化产品在5 kW功率下SRS抑制效果有限（约15 dB），且光光效率仅为74%。因此，本研究旨在通过拓宽输出耦合光纤光栅（Output-Coupler Fiber Bragg Grating, OC-FBG）的反射带宽，优化SRS抑制性能，同时提升输出功率和光束质量。
研究流程
1. 实验设计与装置
研究采用OAIFL结构，振荡段使用8米长双包层掺镱光纤（DCYDF1，纤芯/包层直径22/400 μm），放大段采用纤芯更大的DCYDF2（25/400 μm）。振荡段配备一对中心波长1070 nm的光纤布拉格光栅（FBG），其中高反射率FBG（HR-FBG）的3 dB带宽为3 nm，反射率99.5%；输出耦合FBG（OC-FBG）反射率为10%，研究比较了三种不同带宽的OC-FBG（1.2 nm、1.3 nm和2 nm）。泵浦源采用波长稳定的981 nm激光二极管（LD），通过前后向泵浦组合器（FPSC/BPSC）注入。
SRS抑制与性能测试
光谱带宽分析
实验发现，OC-FBG带宽越宽，输出光束的3 dB带宽反而更窄（如2 nm带宽OC-FBG在3 kW输出时带宽为3.6 nm，而1.2 nm带宽时为4.8 nm）。这表明宽带宽OC-FBG通过支持更多纵模输出，降低了峰值光谱密度，从而抑制了自相位调制（SPM）引起的光谱展宽。
老化测试（Burn-in Test）
在4.85 kW输出下进行30分钟老化测试，发现拉曼功率比例逐渐增加，但输出功率和带宽未显著变化。值得注意的是，宽带宽OC-FBG（2 nm）在测试中表现出更高的TMI阈值，且输出功率在测试中自发增至5.02 kW，同时3 dB带宽从5.3 nm降至3 nm，呈现阶梯式下降。
主要结果与结论
1. SRS抑制效率：OC-FBG带宽与SRS抑制效果直接相关，2 nm带宽配置最优（SRNR 35 dB），且对O-O效率影响极小（约78%）。
2. 光束质量与光谱特性：宽带宽OC-FBG不仅抑制了SRS，还通过降低SPM效应实现了更窄的输出带宽（3 dB带宽最低3 nm），同时保持优异的光束质量（M²<1.3）。
3. 老化性能：宽带宽OC-FBG在长期运行中表现出更高的稳定性，TMI阈值下降幅度较小（约90 W），且输出功率和带宽具有自优化趋势。
研究价值与亮点
- 科学价值：揭示了OC-FBG带宽对SRS抑制和非线性效应调控的机制，为高功率光纤激光器设计提供了新思路。
- 应用价值：提出的宽带宽OC-FBG方案可直接应用于工业级高功率激光器，提升功率上限和长期稳定性。
- 创新性：首次在OAIFL结构中通过调节OC-FBG带宽实现SRS抑制与光谱窄化的协同优化，且未牺牲光光效率。
其他发现
老化测试中观察到的输出功率自发提升和带宽阶梯式下降现象，可能与光纤中折射率动态调制相关，需进一步研究其物理机制。这一发现为高功率激光器的动态调控提供了潜在研究方向。
总结
本研究通过系统性实验证明，宽带宽OC-FBG是提升OAIFL性能的有效手段，为突破高功率光纤激光器的SRS和TMI瓶颈提供了实用化解决方案，兼具学术意义和工程应用价值。