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光纖激光器問世以來，以其功率高、光束質量好、結構緊湊等諸多優(you) 勢備受關(guan) 注，而高功率連續光纖激光器作為(wei) 科研和產(chan) 品實現較早的一類激光器，近十幾年來發展十分迅速，各項指標一再被刷新，在工業(ye) 、、基礎科研等多個(ge) 領域發揮著重要作用；同時對更高功率、高穩定性、高光束質量的光纖激光輸出需求增大，在不斷實現和刷新指標過程中，對於(yu) 兩(liang) 類非線性效應的抑製成為(wei) 了關(guan) 鍵因素，即熱致模式不穩定性（TMI）和受激拉曼散射（SRS）。
01
熱致模式不穩定TMI
2010年，Jena課題組報道了TMI現象，TMI起源於(yu) 熱效應，當光纖激光的輸出平均功率超過TMI閾值時，光纖中不同橫模之間便會(hui) 能量轉移，通過折射率周期變化的熱致光柵結構來進行。
當光耦合進大纖芯光纖後，能量大部分流入基模，少部分流入高階模。不同橫模在光纖中相速度的差異導致了模間幹涉圖樣的產(chan) 生，使得纖芯中的光場呈現強弱交替的準周期性分布。相對於(yu) 弱的光場，強光場區域的反轉粒子數耗盡更快，所以這種光場的準周期性分布會(hui) 使得反轉粒子數也呈現出橫向不均勻的準周期性分布。反轉粒子數的變化會(hui) 影響功率放大和能量提取能力，隨之便會(hui) 產(chan) 生橫向不均勻的準周期性分布的溫度場。溫度分布的差異性會(hui) 在熱光效應的影響下生成準周期性分布的折射率光柵，這就是光纖中熱致折射率光柵的產(chan) 生過程，圖1所示[1]。
圖1. TMI現象的基本物理圖象
一般地，采用以下幾種方法弱化TMI的影響：
（1）通過調整泵浦源的波長降低虧(kui) 損，進而減小係統中的熱效應，比如采用1018nm進行泵浦，或者不同波長搭配泵浦等。
（2）通過設計不同的結構，采用支持基模的大模場麵積光纖作為(wei) 鏈路增益介質，比如3C手性耦合纖芯光纖，大模場光子晶體(ti) 光纖等。
02
受激拉曼散射SRS
1962年受激拉曼散射SRS被觀察到。力學認為(wei) ：入射光波的一個(ge) 光子被一個(ge) 分子散射成為(wei) 另一個(ge) 低頻光子，同時分子完成其兩(liang) 個(ge) 振動台之間的躍遷。入射光作為(wei) 泵浦產(chan) 生稱為(wei) 斯托克斯波的頻移光[2]。當功率超過閾值後部分激光功率轉移到另一頻率下移的激光波長中，從(cong) 而降低了信號激光的功率和轉換效率，並且後向傳(chuan) 輸的斯托克斯光會(hui) 損壞係統中的光器件，嚴(yan) 重影響光纖激光器的穩定性和可靠性[3] [4]。
連續波受激拉曼散射的閾值功率：
Aeff 為(wei) 光纖有效模場麵積，Leff 為(wei) 有效光纖長度，gR(Ω) 是拉曼增益係數
一般地，采用以下方法來抑製SRS：
（1）增加有效模場麵積，減小光纖長度來提高SRS閾值；
（2）通過對光譜的控製來抑製SRS；
（3）通過光纖濾波器對受激拉曼光進行抑製。
03
抑製SRS在實際應用中的重要意義(yi)
高品質的若幹千瓦級連續激光在切割、焊接等多種工業(ye) 應用以及應用領域發揮著重要作用，對於(yu) SRS的抑製是非常必要的環節。主要體(ti) 現在以下幾個(ge) 方麵：
（1）有效抑製SRS可以增加應用中輸出激光末端QBH的長度，從(cong) 而增加了導光結構的靈活性，在工業(ye) 加工中十分受用，有些方法可以將末端無源纖增加10m以上，圖2所示；
圖2. kW級連續光纖激光器及其輸出光纖
（2）SRS會(hui) 導致信號光功率下降，並且導致模式不穩定和差的光束質量，在有效抑製SRS的基礎上，可以增加輸出功率和穩定性，同時獲得更好的作用效果，圖3所示[5]。
圖3. SRS引起的功率不穩定導致了較差的加工效果
04
受激拉曼抑製器
（Raman Scattering Suppressor）
圖4. 受激拉曼抑製器RSS示意圖
在達到閾值時，受激拉曼散射SRS可能出現在光纖激光鏈路上的多個(ge) 位置，甚至可以有多級stokes光，對功率及其穩定性不利。受激拉曼抑製器RSS的本質是一個(ge) 啁啾傾(qing) 斜光柵CTFBG，圖4所示，通過設計刻寫(xie) 光柵的參數實現一個(ge) 雙向濾波的作用，可將來自正反兩(liang) 個(ge) 方向的SRS從(cong) 纖芯濾除到包層裏，免於(yu) SRS指數增長而造成的積累，進而保證了信號光的正常增益和光譜的穩定，圖5所示。
圖5. RSS在實際應用中濾除正反兩(liang) 個(ge) 方向SRS原理圖
實際測試中，以一套用於(yu) 切割的光纖激光器的光路為(wei) 例，逐漸增加輸出光纖的長度和激光功率，直到產(chan) 生的SRS到一定程度引起功率不穩定，在鏈路上帶有和不帶有RSS的情況下進行對比，可見前者可以支持更高功率輸出和穩定性，同時也支持更長的傳(chuan) 能光纖的應用（實驗中為(wei) 37m），圖6圖7所示，這在實際激光加工中有著非常重要的意義(yi) 。
圖6. 帶有RSS的光纖激光器光路結構
圖7. 不同情況下的輸出光纖長度及功率變化
目前實際應用對於(yu) 市場上常見的3kW的光纖激光器的模式和功率穩定性提出了更高的要求，所以高的信噪比（特指SRS抑製比>20dB）成為(wei) 衡量3kW單模激光的重要指標。沒有RSS情況下信噪比為(wei) 21dB，加入RSS信噪比>40dB，圖8所示，顯而易見繼續增加功率，後者將比前者有更好的表現和潛質[6]。
圖8. 3kW時，沒有RSS情況下信噪比為(wei) 21dB，
加入RSS信噪比>40dB
2019年報導了基於(yu) 級聯泵浦方式和拉曼光譜濾波技術，圖9圖10所示，在光纖激光振蕩器和放大器之間加入受激拉曼抑製器RSS來濾SRS如圖所示，並且對比了不使用CTFBG、使用一個(ge) CTFBG 以及使用兩(liang) 個(ge) CTFBG對SRS的抑製效果，最終激光輸出功率4.2 kW，SRS 抑製比大於(yu) 15 dB[7]。
圖9. 級聯泵浦光纖激光器中抑製 SRS 的實驗結構示意圖
圖10. 輸出光譜隨泵浦功率的變化。（a）不使用 CTFBG；（b）使用一個(ge) CTFBG；（c）使用兩(liang) 個(ge) CTFBG
2020年報導了光纖激光產(chan) 品研發課題組設計了一種MOPA結構的光纖激光器，實現了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出。光學結構由976 nm LD 泵浦光纖芯徑20/400 μm 摻鐿體(ti) 係光纖振蕩器，采用了一種傾(qing) 斜式光纖光柵對振蕩器輸出的信號光進行光譜濾波，提升了放大器種子光的光譜純度，有效地減緩了放大器的SRS效應，成功提升了MI閾值。實現了最高5.102 kW近衍射極限的光纖激光輸出，中心波長1080.21 nm，放大器斜率效率78.34%，圖11所示。
圖11. 5.102kW輸出光譜及功率、光斑情況
05
結論
工業(ye) 激光係統可以通過受激拉曼抑製器RSS獲得以下幾個(ge) 方麵的改善：圖12所示，
1. 增加傳(chuan) 能光纖QBH的長度，方便加工應用；
2. 提高抗回返反光的能力，尤其對高反材料的加工，降低其對激光係統的損壞；
3. 保證係統穩定的高功率的輸出和好的光束質量，進而保證良好的切割和焊接效果；
4. 注入功率一定的情況下，有效地提高信號光的轉換效率，間接地提高係統的輸出功率。
圖12. 受激拉曼抑製器RSS在實際應用中的結構位置
非線性效應在高功率實現過程中在所難免，需要簡單、切實、有效的方法來抑製。受激拉曼抑製器從(cong) 實際應用側(ce) 很好地克服了SRS帶來的不利影響，實現了高品質高功率的激光輸出，隨著光纖激光技術的不斷發展，更多更高品質的激光光源係統將被應用在工業(ye) 加工、科技和基礎科研當中，不斷突破瓶頸，為(wei) 我們(men) 的生活帶來高科技的便利。
參考文獻
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[6] Laser World of Photonics, May 2021, 43.
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