高功率可見光至近紅外波段超連續(xù)譜光源研究進(jìn)展

高功率可見光至近紅外波段的超連續(xù)譜光源在光電對(duì)抗、光學(xué)相干層析成像和高光譜激光雷達(dá)等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。最近幾年，涌現(xiàn)了一些用于產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜光源的新方法，推動(dòng)高功率超連續(xù)譜光源進(jìn)一步發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院和南湖之光實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《光學(xué)學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了以“高功率可見光至近紅外波段超連續(xù)譜光源研究進(jìn)展”為主題的文章。該文章第一作者為江麗。

本文從主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)、隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)以及多路非相干合成這三種用于高功率超連續(xù)譜產(chǎn)生的主流方案出發(fā)，著重介紹了近年來有代表性的高功率可見光至近紅外波段超連續(xù)譜的研究進(jìn)展，并綜合分析了這三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及未來的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

高功率可見光至近紅外波段超連續(xù)譜光源研究進(jìn)展

基于主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜方案的研究進(jìn)展

主振蕩功率放大結(jié)構(gòu)是光纖激光器用來功率提升的一種典型結(jié)構(gòu)，一般由一個(gè)種子激光器和多級(jí)光纖放大器組成?；贛OPA結(jié)構(gòu)的高功率超連續(xù)譜激光光源通常先由多級(jí)光纖放大器對(duì)脈沖種子進(jìn)行功率放大，然后再去泵浦一段非線性光纖產(chǎn)生超連續(xù)譜。光子晶體光纖（PCF）由于其高非線性和獨(dú)特的色散調(diào)控能力，被廣泛用于產(chǎn)生可見光至近紅外波段的超連續(xù)譜光源中。然而，為了能實(shí)現(xiàn)超連續(xù)譜短波部分有效的增強(qiáng)，PCF的纖芯尺寸通常被設(shè)計(jì)得非常小，這使得它本身難以承受較高的功率以及它與泵浦光纖激光器的尾纖之間存在著模場(chǎng)失配。因此，研究者們開始采用多芯PCF、級(jí)聯(lián)PCF以及長拉錐PCF等方法在取得合適的短波拓展的同時(shí)增加其有效模場(chǎng)面積。

2018年，本課題組齊雪等人采用一個(gè)放大的1016 nm脈沖激光泵浦源和一段七芯PCF用于產(chǎn)生高功率可見光超連續(xù)譜，圖1顯示了具體實(shí)驗(yàn)裝置。頻率倍增后的1016 nm脈沖種子源被注入到三級(jí)摻鐿光纖放大器后功率提升到了114 W，隨后通過一個(gè)模場(chǎng)適配器（耦合效率為84%，即從泵浦激光器耦合到七芯PCF的效率）將泵浦脈沖激光注入到一段七芯的PCF中實(shí)現(xiàn)高功率可見光超連續(xù)譜的產(chǎn)生。該光纖的零色散點(diǎn)為991 nm，相應(yīng)的橫截面顯示在圖2（a）中，由于多芯的結(jié)構(gòu)增加了其模場(chǎng)直徑（8.5 μm）使得其耦合效率相對(duì)較高從而可以承受更高的泵浦功率。最終在最大泵浦功率下獲得了80 W的可見光增強(qiáng)超連續(xù)譜輸出，光譜范圍350-2400 nm。該光纖仍具有進(jìn)一步提升輸出功率的潛力，但1016 nm脈沖泵浦源的功率不足限制了該超連續(xù)譜功率的進(jìn)一步提升。2020年，中國工程物理研究院董克攻團(tuán)隊(duì)的張昊宇等人基于MOPA結(jié)構(gòu)對(duì)種子源進(jìn)行功率提升并通過泵浦級(jí)聯(lián)PCF（即泵浦激光先注入PCF1中，隨后將輸出的激光再注入進(jìn)PCF2中輸出）實(shí)現(xiàn)了平均輸出功率為104W、光譜范圍覆蓋370-2400 nm的可見光超連續(xù)譜輸出。

其中，泵浦激光耦合進(jìn)PCF1的耦合效率為63.7 %。級(jí)聯(lián)的PCF1和PCF2的零色散點(diǎn)和纖芯直徑分別為1040 nm、4.8 μm和900 nm、3 μm，其光纖橫截面分別如圖2（b）和2（c）所示。級(jí)聯(lián)PCF和長拉錐PCF本質(zhì)上都是通過增大泵浦注入端的有效模場(chǎng)面積來提高注入泵浦功率，而輸出端通常具有較小的纖芯尺寸來實(shí)現(xiàn)有效短波拓展，相比而言，長拉錐光纖不存在兩種PCF 熔接帶來的熔接損耗問題，更有利于功率的提升。2021年，該課題組為了進(jìn)一步提升功率并保證短波的拓展，在保持泵浦系統(tǒng)不變的前提下，將級(jí)聯(lián)PCF更換為一段長拉錐的PCF，圖2（d）-2（f）顯示了其基本結(jié)構(gòu)和光纖橫截面，沿傳輸方向該拉錐PCF包含三個(gè)部分:輸入端和輸出端分別為長度2 m、5 m的均勻部分，中間是纖芯直徑從4.2 μm減小到3.3 μm、長度為7 m、零色散點(diǎn)從1016 nm 減小到975 nm的錐形部分。最終，在942 W的泵浦功率下獲得了光譜范圍為390-2400 nm、平均功率為314.7 W的超連續(xù)譜。

圖1 基于MOPA結(jié)構(gòu)的七芯PCF高功率可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)裝置圖。MFA：模場(chǎng)適配器

圖2 幾種PCF的光纖截面。（a）七芯PCF；（b）-（c）級(jí)聯(lián)PCF；（d）-（f）長拉錐PCF

由于PCF的模場(chǎng)直徑比較小，基于PCF和MOPA結(jié)構(gòu)的超連續(xù)譜方案在提升超連續(xù)譜功率方面總是有限的。相對(duì)而言，多模光纖具有更高的功率承受能力。相比于階躍折射率多模光纖而言，漸變折射率多模光纖（GRIN MMF）由于具有獨(dú)特性能在近幾年備受關(guān)注。首先，GRIN MMF具有較低的克爾自清潔的閾值，這是因?yàn)槠渲芷谛哉袷幰鸬闹芷谛哉凵渎使鈻艑⒏嗟哪芰繌母唠A模式轉(zhuǎn)換為基階模式。在超連續(xù)譜產(chǎn)生方面，其克爾效應(yīng)和拉曼效應(yīng)的共同作用能實(shí)現(xiàn)高斯光束輸出。其次，對(duì)于在正常色散區(qū)傳播的高峰值泵浦脈沖而言，非線性折射率光柵將在可見光和近紅外區(qū)域產(chǎn)生一系列較強(qiáng)的準(zhǔn)相位匹配四波混頻（又稱幾何參數(shù)不穩(wěn)定性，GPI）邊帶。這些特性使得GRIN MMF可以支持高亮度可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生。

基于GRIN MMF超連續(xù)譜的首次報(bào)道是通過級(jí)聯(lián)拉曼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的，美國威斯康星大學(xué)Pourbeyram等人通過在一段GRIN MMF中注入一個(gè)532 nm的脈沖獲得了光譜覆蓋532-1750 nm的超連續(xù)譜輸出。隨著GRINMMF中的GPI效應(yīng)在2016被首次實(shí)驗(yàn)報(bào)道，研究者們發(fā)現(xiàn)，通過采用1 μm波段的高峰值脈沖光去泵浦GRINMMF光纖，可見光波段會(huì)產(chǎn)生一系列的分立峰。利用該效應(yīng)，研究者們通過采用高峰值的泵浦激光器在該光纖中實(shí)現(xiàn)了可以覆蓋到可見光波段的超連續(xù)譜輸出。

上述報(bào)道的泵浦激光耦合進(jìn)光纖的方式均為空間光耦合，直至2022年才首次實(shí)現(xiàn)全光纖化。在GRIN MMF中，短波拓展的寬度與泵浦峰值功率成正相關(guān)。為了在該光纖中獲得高功率寬帶的可見光超連續(xù)譜輸出，需要同時(shí)提高泵浦的平均功率和峰值功率，因此需要對(duì)泵浦系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。2023年，西安光學(xué)精密機(jī)械研究所張挺團(tuán)隊(duì)通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在基于一段四模的GRIN MMF中獲得了30 W的超連續(xù)譜輸出，光譜覆蓋400-2400 nm。本課題組從2022年開始研究基于該光纖的全光纖化可見光超連續(xù)譜功率提升。圖3（a）是基于GRIN MMF的高功率全光纖可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。

為了獲得較高的峰值功率從而實(shí)現(xiàn)有效的短波拓展，主放大器采用了大纖芯尺寸的高摻雜增益光纖（30/250 μm，摻雜系數(shù)為20 dB/m@ 976 nm）。圖3（b）是輸出光譜隨功率的演化圖，為了能更清楚的了解該光纖中影響超連續(xù)譜短波拓展的因素，橫坐標(biāo)的波長被轉(zhuǎn)換成頻率。圖中的虛線是模擬的GPI效應(yīng)對(duì)應(yīng)的位置?？梢钥闯鲭S著功率增加，GPI邊帶越來越多，最終在最大泵浦功率下，約有8個(gè)GPI邊帶產(chǎn)生。這些邊帶結(jié)合其他非線性效應(yīng)如孤子相關(guān)的非線性效應(yīng)和受激拉曼散射等，將可見光和近紅外波段的光譜連接起來，從而形成一個(gè)平坦的超連續(xù)譜?？梢钥闯鯣PI效應(yīng)在光譜的短波方向拓展中起著非常重要的作用。

最終，在泵浦峰值功率和平均功率分別為162 kW和81 W下，超連續(xù)譜的輸出平均功率達(dá)40.6 W，光譜范圍為450-＞2400 nm，如圖3（c）所示，其中內(nèi)插圖是測(cè)量的不同波長下以及總的超連續(xù)譜的輸出光斑，可以看出由于該多模光纖具有光束自清潔效應(yīng)，使得其所有波長處的光斑均呈現(xiàn)了近高斯的形狀。

為了進(jìn)一步探索其功率提升的潛力，繼續(xù)增加一級(jí)基于30/600 μm的光纖放大器并進(jìn)行了參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4（a）所示。在泵浦GRIN MMF的峰值功率和平均功率分別為72 kW和620 W的情況下，最終獲得了輸出平均功率為204 W、光譜范圍為580-2400 nm的可見光超連續(xù)譜，輸出光譜如圖4（b）所示。該實(shí)驗(yàn)證明了該種類型光纖具有高功率承載的能力，后續(xù)可以通過在泵浦激光器的主放大器中需要采用更大纖芯尺寸的增益光纖來進(jìn)一步提升輸出功率水平。

圖3 基于GRIN MMF的40W可見光超連續(xù)譜。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）光譜隨功率的演化圖（橫坐標(biāo)為頻率）；（c）最終輸出的超連續(xù)譜光譜。內(nèi)插圖為730 nm、620 nm、532 nm、470 nm和超連續(xù)譜的近場(chǎng)光斑圖

圖4 基于GRINMMF的204 W可見光超連續(xù)譜。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）最終輸出的超連續(xù)譜光譜。內(nèi)插圖為730 nm，620 nm以及超連續(xù)譜總的近場(chǎng)光斑圖

可見光波段超連續(xù)譜的產(chǎn)生通常需要特殊的光纖，而對(duì)于高功率近紅外波段超連續(xù)譜產(chǎn)生而言最有效的一種方法是采用光纖放大器直接輸出超連續(xù)譜。該方法不存在泵浦光纖與非線性光纖熔接困難的問題?；诠饫w放大器的單波長光纖激光器早已突破了10 kW，因此基于光纖放大器直接輸出超連續(xù)譜方案在功率提升方面極具潛力。

該方案在2007 被首次提出，隨后功率陸續(xù)被提升到了70 W和200 W，對(duì)應(yīng)的光譜范圍分別為1064-1700 nm和1064-2200 nm。在這些文獻(xiàn)中，功率提升和光譜展寬均在增益光纖中實(shí)現(xiàn)，這給增益光纖帶來了巨大的熱負(fù)載，使得功率提升越來越困難。

2023年，本課題組過優(yōu)化方案，將近紅外超連續(xù)譜光源的輸出功率進(jìn)一步提升到了714 W，光譜范圍為690-2350 nm，這是基于該方案目前公開報(bào)道的最高功率水平和最寬光譜范圍，實(shí)驗(yàn)方案如圖5（a）所示。在該方案中，最后一級(jí)采用了大纖芯的增益光纖并將相應(yīng)的被動(dòng)光纖長度加長20 m用于分擔(dān)部分由光譜展寬帶來的熱負(fù)載。圖5（b）和5（c）顯示了最后一級(jí)被動(dòng)光纖不同長度下對(duì)輸出超連續(xù)譜光譜和功率的影響，通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在20 m的被動(dòng)光纖長度下，輸出光譜和輸出功率基本處于相對(duì)較好的水平；此外，如果想要進(jìn)一步提升輸出功率就需要縮短被動(dòng)光纖的長度，而縮短被動(dòng)光纖長度會(huì)使得光譜展寬不充分，為了使光譜充分展寬就需要進(jìn)一步增加泵浦功率，從而導(dǎo)致增益光纖的熱負(fù)載進(jìn)一步增大。因此，進(jìn)一步提升該方案的輸出功率水平需要綜合考慮這些影響因素，總體而言，該方案具有實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)超連續(xù)譜輸出功率水平的潛力。

圖5 光纖放大器直接輸出714 W近紅外超連續(xù)譜。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）不同長度下的最優(yōu)超連續(xù)譜以及（c）不同長度下超連續(xù)譜輸出功率隨泵浦功率的演化（1m、20 m、35 m、和50 m）

從上述幾個(gè)比較有代表性的進(jìn)展來看，對(duì)于PCF輸出高功率可見光波段的超連續(xù)譜而言，優(yōu)化設(shè)計(jì)PCF的結(jié)構(gòu)參數(shù)仍是目前最有效的方法。然而，PCF與泵浦激光器尾纖的模場(chǎng)失配帶來的熱負(fù)載，以及PCF較小的纖芯直徑是該方案進(jìn)一步功率提升的限制。

對(duì)于GRIN MMF光纖而言，其特性非常適合高功率可見光波段超連續(xù)譜產(chǎn)生，由于該種光纖仍處于起步階段，所以功率提升和短波拓展水平目前還沒有達(dá)到PCF輸出超連續(xù)譜方案的水平，但該方案極具潛力，將來通過設(shè)計(jì)GRIN MMF的折射率曲線、結(jié)構(gòu)和摻雜濃度以及對(duì)泵浦光源的優(yōu)化，有望實(shí)現(xiàn)更短波長、更高功率的可見光波段超連續(xù)譜輸出。對(duì)于高功率近紅外波段超連續(xù)譜而言，光纖放大器直接輸出超連續(xù)譜仍然是首選方案，后續(xù)的發(fā)展除了進(jìn)一步優(yōu)化其輸出光譜特性外，還應(yīng)該聚焦在主放大器的熱管理以及光纖長度、泵浦功率、種子源參數(shù)等這些影響因素的綜合考量上面。

基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)直接產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜方案的研究進(jìn)展

不同于傳統(tǒng)的光纖激光器通過光學(xué)諧振腔來控制輸出激光的特性，隨機(jī)光纖激光器輸出的激光不依賴于諧振腔，它是通過無序增益介質(zhì)中的多次散射而形成隨機(jī)分布式反饋，當(dāng)反饋增益大于損耗時(shí)，實(shí)現(xiàn)激光輸出。這種無諧振腔的光纖隨機(jī)激光器具有結(jié)構(gòu)更加簡單、噪聲更低、穩(wěn)定性更好等優(yōu)點(diǎn)。2009年，隨機(jī)光纖激光器被首次報(bào)道，隨后便得到了廣泛的關(guān)注。其中隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)直接輸出超連續(xù)譜方案繼承了隨機(jī)光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)，近幾年來得到了快速發(fā)展。

2018年，電子科技大學(xué)饒?jiān)平瓐F(tuán)隊(duì)的馬瑞等人首次對(duì)基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)輸出超連續(xù)譜進(jìn)行了報(bào)道，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖6（a）所示。實(shí)驗(yàn)采用一個(gè)1365 nm的拉曼激光器泵浦一段16 km長的真波光纖。一個(gè)中心波長位于泵浦波長一階拉曼處（1461 nm）的光纖光柵提供點(diǎn)反饋從而形成一個(gè)半開腔的隨機(jī)光纖激光器。圖6（b）顯示了在不同泵浦功率下輸出的光譜演化，最終在4 W左右泵浦功率下，獲得了20 dB光譜帶寬約250 nm的超連續(xù)譜輸出。隨后，該團(tuán)隊(duì)在該結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加了一段色散補(bǔ)償光纖來增加隨機(jī)分布式反饋，驗(yàn)證了反向輸出的超連續(xù)譜具有更好的時(shí)域穩(wěn)定性。

圖6 基于半開腔隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜。（a）結(jié)構(gòu)示意圖; （b）光譜隨泵浦功率的演化圖。TW fiber：真波光纖

隨后研究者們采用了各種方法對(duì)泵浦激光器進(jìn)行功率提升。2018年，印度納米科學(xué)研究所Arun等人采用1117 nm的摻鐿光纖激光器并將泵浦功率提高到了100 W，將光纖光柵的點(diǎn)反饋更換成平角的端面寬帶反饋（反射率約4%），將被動(dòng)光纖更換成2 km SMF28e，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示。最終在80 W的泵浦功率下，獲得了光譜范圍為 880-1900 nm、輸出功率為30 W的超連續(xù)譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7（b）所示。在此基礎(chǔ)上，該課題組在2020年又提出了一種雙波長功率組合的結(jié)構(gòu)來進(jìn)行功率提升，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示。文中采用了兩個(gè)獨(dú)立摻鐿光纖激光器（一個(gè)波長在1117 nm，輸出功率為70 W；一個(gè)波長在1064-1088 nm之間可調(diào)，輸出功率為70 W），并且SMF28e光纖的長度被縮短到1 km，在這種泵浦機(jī)制下，最終獲得了輸出功率為70 W、光譜覆蓋850-1900 nm的超連續(xù)譜輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8（b）所示。2022年，上海光學(xué)精密機(jī)械研究所馮衍團(tuán)隊(duì)的程鑫等人通過采用摻鐿光纖放大器對(duì)種子激光進(jìn)行功率放大，進(jìn)一步將泵浦源的功率提升到了300 W，最終在泵浦600 m SMF28e中獲得了輸出平均功率為130 W、光譜范圍為852-2055 nm的超連續(xù)譜輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)及輸出結(jié)果分別如圖9（a）和9（b）所示，其中輸出的光譜顯示的是兩種不同種子源下輸出的超連續(xù)譜。

圖7 基于34 W半開腔隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的（a）結(jié)構(gòu)示意圖及（b）輸出光譜

圖8 基于雙波長激光在隨機(jī)激光器中輸出70 W高功率超連續(xù)譜。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）輸出超連續(xù)譜的光譜圖

圖9 基于光纖放大器放大的130 W半開腔隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜。（a）實(shí)驗(yàn)裝置圖；（b）輸出超連續(xù)譜的光譜圖

上述半開腔結(jié)構(gòu)的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的功率提升均受限于波分復(fù)用器（WDM）的高功率承受能力。因此，2022年，清華大學(xué)肖起榕團(tuán)隊(duì)擯棄了WDM的使用并提出了一種多波長泵浦的全開腔隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖10（a）所示。文中將放大后的拉曼光纖振蕩器和摻鐿光纖振蕩器同時(shí)注入到415 m 的46/400 um摻鍺雙包層光纖（GDF）中，在一個(gè)全開腔的隨機(jī)光纖激光器中獲得輸出功率為3 kW、光譜范圍為925-1862 nm的超連續(xù)譜輸出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10（b）所示。該實(shí)驗(yàn)表明基于隨機(jī)激光器結(jié)構(gòu)輸出超連續(xù)譜方案具有極大的功率提升潛力。

圖10 3 kW超連續(xù)譜產(chǎn)生在一個(gè)全開腔隨機(jī)光纖激光器中。（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）輸出光譜隨著輸出功率的演化圖

從2019年開始，本課題組對(duì)基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)輸出超連續(xù)譜方案也進(jìn)行了一系列的研究，旨在一個(gè)更簡單、更高效的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)寬帶高功率超連續(xù)譜輸出。2019年本課題組陳蘭劍等人提出了一種新穎的隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)，如圖11（a）所示。實(shí)驗(yàn)中利用寬譜光纖反射鏡提供左側(cè)的反饋，1 km GDF提供隨機(jī)分布式反饋，位于摻鐿光纖（YDF）增益帶寬內(nèi)的光在這兩種反饋形成的反饋回路中被逐漸放大，從而降低了超連續(xù)譜產(chǎn)生的閾值。最終，在僅976 nm激光二極管泵浦的條件下，在1 km的GDF中實(shí)現(xiàn)了光譜覆蓋600-1700 nm、輸出功率為3.4 W的超連續(xù)譜輸出，這是首次基于隨機(jī)光纖激光器實(shí)現(xiàn)了可見光至近紅外波段超連續(xù)譜輸出，光譜隨功率演化如圖11（b）所示。此外，課題組還分析了YDF的位置和放大自發(fā)輻射泵浦源中的寄生激光對(duì)輸出光譜特性的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明將YDF置于隨機(jī)光纖激光器的腔內(nèi)，并采用含有寄生激光的放大自發(fā)輻射源作為泵浦，有利于激發(fā)高階斯托克斯光從而促進(jìn)超連續(xù)譜的產(chǎn)生。

為了進(jìn)一步改善其光譜寬度和平坦度，2020年，本課題組何九如等人將GDF更換為一段PCF，得益于PCF卓越的非線性光譜拓展能力和有效的隨機(jī)分布式反饋，最終獲得了光譜覆蓋400-2300 nm的寬帶平坦可見光至近紅外波段超連續(xù)譜輸出，這是首次報(bào)道的基于PCF隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜，光譜隨功率的演化如圖12所示。2021年，本課題組將圖11（a）的隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)更換為保偏的隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)來改善輸出的超連續(xù)譜。圖13所示為非保偏結(jié)構(gòu)和保偏結(jié)構(gòu)隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的對(duì)比圖，光譜范圍分別為700-1700 nm和600-1900 nm。

兩種結(jié)構(gòu)輸出的光譜差異在于保偏結(jié)構(gòu)使得泵浦功率大部分集中在一個(gè)軸上，在相同的泵浦功率下，具有線偏振的GDF非線性相互作用會(huì)得到有效增強(qiáng)，從而輸出超連續(xù)譜具有更好的光譜帶寬和平坦度。這是基于保偏隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)輸出超連續(xù)譜的首次公開報(bào)道。為了進(jìn)一步提升輸出功率，課題組對(duì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用大纖芯25/400 μm的YDF和GDF替換小芯徑Y(jié)DF和GDF，實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖14（a）和14（b）所示，其中合束器輸入信號(hào)端切平角提供寬帶反饋?？梢钥闯?，基于如此簡單的結(jié)構(gòu)，超連續(xù)譜輸出功率已經(jīng)提升到289 W，表明該方案在超連續(xù)譜功率提升方面充滿了巨大潛力。

圖11 基于半開腔的隨機(jī)激光器輸出超連續(xù)譜。（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）輸出光譜隨著泵浦功率的演化圖

圖12 基于PCF的半開腔隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜隨泵浦功率的演化

圖13 基于保偏與非保偏半開腔隨機(jī)激光器輸出超連續(xù)譜對(duì)比圖

圖14 基于289 W半開腔的隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜。（a）結(jié)構(gòu)示意圖；（b）隨著輸出功率的光譜演化

從上述比較有代表性的文獻(xiàn)報(bào)道中可以看出，雖然該方案從首次報(bào)道到現(xiàn)在只有四五年時(shí)間，但在輸出超連續(xù)譜功率提升方面得到了快速發(fā)展并實(shí)現(xiàn)了巨大突破?；赪DM器件的半開腔隨機(jī)光纖激光器輸出超連續(xù)譜的功率提升受限于該器件的高功率承受能力。通過摒棄WDM，在一個(gè)放大的多波長全開腔隨機(jī)光纖激光器中（兩個(gè)振蕩器種子+一級(jí)放大器）實(shí)現(xiàn)了高達(dá)3 kW的超連續(xù)譜激光輸出，但該結(jié)構(gòu)相對(duì)于隨機(jī)光纖激光器方案中的其他結(jié)構(gòu)而言稍顯復(fù)雜。基于平角的半開腔反饋結(jié)構(gòu)簡單，功率提升效果顯著，但光譜性能有待進(jìn)一步優(yōu)化。

基于多路非相干合成產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜方案的研究進(jìn)展

由于受熱負(fù)載、非線性效應(yīng)等因素的限制，單根光纖輸出的激光功率存在上限。為了獲得更高功率的光纖激光輸出，對(duì)中等功率的光纖激光光束進(jìn)行合成是一個(gè)有效的解決方案。不同于單波長的功率合束，超連續(xù)譜的功率合束要求超寬帶的光能夠高效率的通過，因此該方案實(shí)現(xiàn)高功率全光纖超連續(xù)譜的關(guān)鍵在于寬譜功率合束器件。商業(yè)化的單波長合束器功率早已達(dá)到了20 kW，因此該方案相對(duì)于單路超連續(xù)譜的功率提升具有輸出更高功率的潛力。

2015年，本課題組周航等人使用3×1 寬帶光纖功率合束器實(shí)現(xiàn)了輸出功率為202.2 W的近紅外超連續(xù)譜輸出，光譜范圍為1060-1900 nm，合束效率高達(dá)96 %。輸入光纖纖芯和包層尺寸為30/125 μm，數(shù)值孔徑為0.08，輸出光纖纖芯和包層尺寸為100/260 μm，數(shù)值孔徑為0.2，光纖合束器結(jié)構(gòu)如圖15（a）所示。合束器的錐區(qū)長度對(duì)耦合效率影響較大，當(dāng)光纖進(jìn)行拉錐時(shí)，光纖的纖芯直徑會(huì)越來越小，從而導(dǎo)致光從錐區(qū)泄露出去降低傳輸效率。圖15（b）所示為模擬的傳輸效率與拉錐長度之間的關(guān)系，其中縱坐標(biāo)表示的是拉錐后/拉錐前的功率比，當(dāng)光錐區(qū)長度控制在1-4 mm左右時(shí)，傳輸效率變化不大，當(dāng)光錐區(qū)長度超過4 mm時(shí)，三個(gè)波長的功率比均開始下降，且長波處下降的更快。因此，通過模擬可以得出比較合適的錐區(qū)長度約為4 mm。

隨后，本課題組又設(shè)計(jì)了一個(gè)7×1的寬帶光纖功率合束器，將合束后近紅外超連續(xù)譜光源的輸出功率進(jìn)一步提升至802 W，光譜覆蓋1060-1700 nm，合束效率約95%。該結(jié)果表明采用非相干合束的方法可以獲得高功率超連續(xù)譜光源。該方案相對(duì)于單個(gè)放大器中產(chǎn)生高功率超連續(xù)譜具有如下優(yōu)勢(shì)：第一，將幾路較小模場(chǎng)面積光纖的輸出光通過功率合束器耦合到一根模場(chǎng)面積較大的光纖中，在同等輸出功率水平的前提下，合束前每一路放大器的輸出功率可以控制在熱管理能夠承受的水平，這樣就把總的熱管理壓力化解到若干個(gè)小的熱管理系統(tǒng)中，方便管理；第二，合束器的輸出光纖是非摻雜的無源光纖，不會(huì)產(chǎn)生由于非線性效應(yīng)和增益放大而帶來的多余熱量，因此該部分光纖的熱管理壓力也不大，并且可以傳輸更高功率的激光，極大地提高了系統(tǒng)輸出總的功率水平。

圖15 近紅外超連續(xù)譜的功率合束。（a）合束器示意圖；（b）模擬的不同波長處的傳輸效率與拉錐長度之間的關(guān)系

2022年，北京工業(yè)大學(xué)孫暢團(tuán)隊(duì)通過設(shè)計(jì)了一個(gè)7×1的超連續(xù)譜光纖合束器實(shí)現(xiàn)了143.4 W高功率白光超連續(xù)譜輸出，光譜范圍450-1700 nm，合束效率高達(dá)97.4%?；诮^熱錐變和亮度守恒準(zhǔn)則，對(duì)于單根輸入拉錐光纖而言，只有當(dāng)拉錐長度大于模擬的臨界錐區(qū)長度時(shí)，其傳輸?shù)膿p耗才相對(duì)比較低。從圖16 中可以看出，第一，在固定的拉錐比r1/r0（輸出（r1）和輸入（r0）纖芯直徑比）下，只要長波的光能低損耗輸出，所有波長的光均能低損耗輸出，因此拉錐長度越長越好，但過長的拉錐長度不利于器件的穩(wěn)定性，因此只需略微超過即可。第二，對(duì)于固定的拉錐長度而言，也是主要考慮長波處低損耗輸出，因此需要更高的拉錐比即可保證整個(gè)寬帶波長低損耗輸出，然而拉錐后的光纖越粗會(huì)使得后續(xù)熔接到輸出光纖的損耗增大。因此，合束器的錐區(qū)設(shè)計(jì)需要綜合考慮這些因素。

圖16 不同波長處的臨界拉錐長度和拉錐比之間的關(guān)系

由上述幾個(gè)比較有代表性的文獻(xiàn)報(bào)道來看，相對(duì)于近紅外超連續(xù)譜功率合束而言，可見光超連續(xù)譜功率合束在合束器制作方面會(huì)更有優(yōu)勢(shì)，因此該方案更有利于可見光超連續(xù)的功率提升。目前報(bào)道的可見光超連續(xù)譜合束功率較低的原因可能有兩點(diǎn)：1.單路可見光超連續(xù)譜輸出功率較低，當(dāng)單路采用PCF獲得可見光超連續(xù)譜時(shí)，PCF在后續(xù)熔接到合束器上也存在著一定的困難；2.目前報(bào)道的單路可見光超連續(xù)譜光譜覆蓋范圍是從可見光到近紅外波段，長波處較高的耦合損耗將會(huì)降低寬帶合束器的合束效率。今后可以通過優(yōu)化單路超連續(xù)譜的可見光功率占比來進(jìn)一步提高可見光超連續(xù)譜的功率合束效率。

總結(jié)與展望

高功率可見光至近紅外波段超連續(xù)譜光源在近幾年的時(shí)間里得到了快速的發(fā)展，基于MOPA結(jié)構(gòu)的可見光超連續(xù)譜輸出功率已經(jīng)突破300 W，基于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)直接輸出近紅外超連續(xù)譜的功率已經(jīng)突破3 kW，新型光纖和新方案的涌現(xiàn)為高功率超連續(xù)譜的發(fā)展注入了新的活力。

對(duì)于高功率可見光超連續(xù)譜而言，非線性光纖結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)仍然是其主旋律。目前，PCF仍然是高功率可見光超連續(xù)譜產(chǎn)生的主要非線性介質(zhì)。盡管PCF的模場(chǎng)直徑和結(jié)構(gòu)一直在優(yōu)化，相對(duì)而言，其模場(chǎng)直徑仍然較小，嚴(yán)重制約著其輸出超連續(xù)譜功率的進(jìn)一步提升。隨著GRIN MMF的進(jìn)一步發(fā)展，相信這種具有較大纖芯尺寸、光束自清潔效應(yīng)和獨(dú)特的短波拓展機(jī)制的光纖能推動(dòng)高功率可見光超連續(xù)譜的進(jìn)一步發(fā)展。目前該光纖仍處于起步發(fā)展階段，其產(chǎn)生的可見光超連續(xù)譜暫時(shí)比不上PCF輸出超連續(xù)譜方案的效果。未來可以通過對(duì)該光纖的折射率曲線、摻雜濃度以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及改進(jìn)泵浦光源來進(jìn)一步提升其輸出超連續(xù)譜的功率和光譜性能。此外，目前報(bào)道的高功率可見光超連續(xù)譜大多數(shù)是基于MOPA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，而多路非相干合成方案在可見光超連續(xù)譜功率提升方面也極具潛力，未來可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)寬帶功率合束器，進(jìn)一步提升輸出可見光超連續(xù)譜的功率水平。

對(duì)于高功率近紅外超連續(xù)譜而言，基于MOPA結(jié)構(gòu)輸出近紅外超連續(xù)譜功率方案盡管結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但在保證泵浦平均功率的前提下能提供較高的泵浦峰值功率，產(chǎn)生超連續(xù)譜的光譜性能較好；對(duì)于隨機(jī)光纖激光器結(jié)構(gòu)直接輸出超連續(xù)譜方案而言，其結(jié)構(gòu)簡單，產(chǎn)生的超連續(xù)譜輸出功率較高，在單路的超連續(xù)譜光源功率提升中最具潛力。由于該方案目前還處于起步階段，有些內(nèi)在的物理機(jī)理尚未完全清晰，相信在未來該方案能夠在理論和實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)展和突破；對(duì)于多路非相干合成方案而言，該方案有著突破超連續(xù)譜輸出功率極限的潛力，但由于市場(chǎng)需求較小以及國內(nèi)外投入的科研力量偏少，導(dǎo)致該方AOS案目前發(fā)展相對(duì)較為緩慢，但未來當(dāng)單路光纖輸出超連續(xù)譜的功率接近極限時(shí)，該方案是進(jìn)一步打破輸出功率天花板的重要手段。

本文重點(diǎn)就上述三種技術(shù)方案挑選了一些國內(nèi)外比較有代表性的研究成果，重點(diǎn)介紹了一下近幾年國防科技大學(xué)在高功率超連續(xù)譜方面的研究進(jìn)展。隨著光纖拉制工藝水平的提升以及半導(dǎo)體激光器輸出功率的進(jìn)一步提升，以及超連續(xù)譜光源在光電對(duì)抗、光學(xué)相干層析成像和高光譜激光雷達(dá)等領(lǐng)域的逐漸推廣應(yīng)用，相信未來高功率超連續(xù)譜光源的輸出功率水平會(huì)持續(xù)提升，距離單波長高功率光纖激光器的差距會(huì)越來越小。

審核編輯：劉清