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2026

国防科技大学：光谱整形“住进”光纤，为级联拉曼激光器光谱“瘦身” | HPLSE文章推荐

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级联拉曼光纤激光器的光谱展宽

级联拉曼光纤激光器（Cascaded Raman Fibre Laser, CRFL）利用无源光纤中的受激拉曼散射效应产生高阶斯托克斯光，是实现波长灵活拓展和功率提升的重要技术方案。然而，在高功率运转时，泵浦光的时域噪声会逐级传递，加之四波混频、交叉相位调制和自相位调制等非线性效应的共同作用，高阶斯托克斯光不可避免地产生显著的光谱展宽——初始“身材匀称”的光谱逐渐“发福臃肿”，如图1所示。尽管现有技术手段在功率提升和波长调谐方面取得了长足进步，但往往以牺牲光谱纯度为代价，尤其是难以抑制光谱翼部的展宽，一定程度上制约了其在非线性频率转换、精密光谱等领域的应用。

图1 级联拉曼光纤激光器中的光谱展宽现象

近年来，基于空间光调制器（Spatial Light Modulator, SLM）的波前整形技术在空间光场调控领域大放异彩，其核心思想是通过对入射光波前的主动调控，将无序介质从“散射体”转化为“可控光学元件”。受此启发，研究人员开始探索将类似理念引入光纤系统。

被动光谱调控：让光谱整形“住进”光纤

国防科技大学周朴研究员、姚天甫副研究员所在团队提出了一种全新的思路：借鉴传统依赖SLM等外部器件的主动调控方式，利用光纤光栅内禀的随机光谱响应特性作为光谱整形的物理载体，将这一理念以被动、内置的方式“住进”光纤内部。这一思路的巧妙之处在于，它无需任何外部主动调制设备，而是将“光谱整形”的功能直接固化在光纤器件中，实现了从“主动调控”到“被动内置”的转变。

具体而言，当这种具有随机反射率波动的光纤光栅被置于级联拉曼振荡器内时，会形成波长选择的反馈机制：与高反射区对准的波长分量获得更强的反馈和更长的光子寿命，从而在模式竞争中占据优势；而偏离中心波长的噪声成分则被有效抑制，其工作原理示意图如2所示。这一过程类似于一个被动的自优化光谱整形系统，从宽带的噪声背景中提纯并选择出最相干的光学模式。

图2 光栅随机反馈工作原理示意图

为光谱“瘦身”：实验验证

基于上述提出的调控思路，研究团队搭建了1080 nm → 1130 nm → 1185 nm两级级联拉曼振荡器实验系统。采用具有内禀随机反射率波动的光纤光栅，正是它让光谱整形真正“住进”了光纤之中，为级联拉曼激光器的线宽管理赋能。

图3（a）级联拉曼光纤激光器的实验装置示意图；（b）被动光谱调制工作原理示意图；（c）光栅的随机折射率分布

实验结果表明，在最优光纤长度下，系统实现了1031 W的1185 nm激光输出。更重要的是光谱质量的显著提升——“瘦身”效果显著，与无反馈的对照组相比，3-dB线宽从1.3 nm收窄至1.1 nm，10-dB线宽从3.6 nm降至2.9 nm，而表征光谱翼部展宽的30-dB线宽从14.2 nm大幅压缩至9.5 nm。这些结果初步验证了被动光谱调控机制的有效性。在时域稳定性方面，被动光谱调控同样展现出积极效果。系统在1031 W满功率运行时，归一化强度标准偏差低于0.03，射频频谱平坦无显著尖峰，实现了稳定的连续波运转。