基于锥形光纤实现2千瓦全开放腔随机拉曼光纤激光器的模式管理与功率突破

本刊编辑推荐：针对全开放腔随机拉曼光纤激光器（RRFL）因模式失配导致的斯托克斯转换效率和输出功率受限问题，研究人员开展了基于锥形锗掺杂光纤（T-GDF）的模式管理与端反馈控制研究。通过建立多模拉曼相互作用理论模型和实验验证，实现了2081 W的随机激光输出，光谱纯度超过90%，创全开放腔随机激光最高功率纪录。该工作为高功率激光产生和多模非线性效应研究提供了重要指导。

　　

在激光技术领域，随机分布式反馈拉曼光纤激光器（Random Raman Fiber Lasers, RRFLs）因其独特的无腔镜结构和优异的抗干扰特性，近年来受到广泛关注。与传统依赖谐振腔的激光器不同，RRFLs利用光纤内的随机分布式反馈和拉曼增益实现激光输出，具有波长可调、稳定性高等优势，在分布式光纤传感、成像和倍频等领域展现出巨大应用潜力。然而，全开放腔结构的RRFLs面临着一个严峻挑战——模式失配问题导致斯托克斯转换效率和输出功率难以提升，这成为制约其向高功率发展的瓶颈。

此前，半开放腔结构通过引入点反射器（如高反射光纤光栅HR-FBGs）确实降低了激光阈值并实现了单向出射，使RRFLs输出功率达到了2千瓦水平。但这种结构在功率提升过程中会产生强烈的后向传输非线性放大，且系统复杂度较高。全开放腔虽能简化结构，却因多模光纤（MMF）中的模式重叠问题，造成光谱纯度下降和转换效率降低。特别是在长距离传输中，非线性效应会加剧能量向高阶斯托克斯分量和高阶模式的转移，这使得功率提升举步维艰。

针对这一难题，国防科技大学的研究团队在《High Power Laser Science and Engineering》上发表了一项突破性研究。他们创新性地采用锥形光纤技术，通过精确的模式管理和端反馈控制，成功实现了2千瓦级全开放腔随机拉曼光纤激光输出，创造了该类型激光器的功率新纪录。

研究人员采用自主研发的锥形锗掺杂光纤（Tapered Germanium-Doped Fiber, T-GDF），构建了全开放腔RRFL系统。实验系统以自主研制的1080 nm光纤激光器作为泵浦源，通过精心设计的锥形光纤结构进行模式控制。关键技术方法包括：建立多模随机激光理论模型，模拟端反馈和输出模式特性；设计并优化T-GDF的几何参数（核心/包层直径从24/200μm渐变至48/400μm）；通过调节端面清洁度和切割角度控制端反馈水平；使用光谱分析仪和功率计测量输出特性和转换效率。

3.1 端反馈对全开放腔RRFLs的影响研究

通过建立多模拉曼相互作用理论模型，研究人员数值模拟了不同端反射率对斯托克斯功率分布的影响。研究发现，当第一斯托波输出端面反射率（R_2r）从6×10^-9增加到6×10^-5时，前向传输的第一斯托克斯功率从1091 W降至74 W，而后向传输的功率则从247 W增加至710 W。实验验证表明，低端反馈条件下（8°角度切割且端面清洁），第一斯托克斯功率达到1713 W，远高于高端反馈条件下的1475 W，且后向光强度从202 W降低至114 W。这些结果证明，精确控制端反馈能有效抑制后向斯托克斯光积累，提高拉曼转换效率。

3.2 通过优化T-GDF长度实现2千瓦随机拉曼激光输出

研究人员系统研究了T-GDF长度对输出特性的影响，比较了105 m、115 m、120 m、124 m和130 m五种长度配置。研究发现，当窄端长度从15 m增加到34 m时，斯托克斯分量逐渐增强，但过长的窄端（34 m）会导致高阶斯托克斯分量显著出现。最优配置为30 m窄端、10 m锥形段和90 m宽端组成的30-10-90 m结构，该设计既保持了模式特性，又有效抑制了高阶斯托克斯分量。

在最佳配置下，第一斯托克斯功率阈值约为1500 W。随着信号功率增加，第一斯托克斯功率持续增长，而残余信号功率单调下降。达到2081 W输出时，残余信号功率仅为216.7 W，第二斯托克斯功率接近0 W，表明能量有效地转移到了所需的第一斯托克斯分量。

光谱分析显示，第一斯托克斯发射中心位于1135 nm。固定宽端为80 m时，窄端长度从30 m增加到34 m会导致第一和第二斯托克斯强度显著降低；固定窄端为30 m时，宽端从80 m增加到90 m能增强非线性相互作用，提高第一斯托克斯转换效率并抑制高阶分量。

研究结果表明，通过端反馈控制和锥形光纤模式管理，能够有效解决全开放腔随机拉曼光纤激光器的功率提升难题。这项研究不仅实现了2081 W的随机激光输出，创造了全开放腔随机激光器的功率纪录，更重要的是提供了解决多模非线性效应问题的有效技术路径。研究人员建立的多模随机激光理论模型为理解复杂传输机制提供了理论基础，而锥形光纤的成功应用展示了新型光纤设计在激光技术中的巨大潜力。

该研究的成功实施标志着全开放腔随机光纤激光器正式进入千瓦级应用时代，为高功率激光系统提供了更简洁、更稳定的解决方案。在科学价值方面，这项工作深化了对多模非线性相互作用的理解，为复杂传输系统中的模式演化研究提供了重要参考。在应用前景方面，这种高性能随机激光器有望在工业加工、科学研究和国防安全等领域发挥重要作用，特别是作为种子源在功率放大系统中具有独特优势。

未来研究可进一步优化锥形光纤设计，如增加宽端核心直径至50μm，探索更高的功率转换效率。同时，该技术路径也可推广到其他类型的光纤激光器中，为解决高功率激光系统中的模式控制和非线性抑制问题提供通用解决方案。这项研究为下一代高功率激光器的发展指明了方向，将对整个激光技术领域产生深远影响。