抑制高功率光纤激光器输出光谱展宽的通用方法
来自：都玮编辑 激光评论 江苏激光联盟陈长军转载
High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期：
Yinxu Bian, Kerong Jiao, Xuecheng Wu, et al. Utilizing phase-shifted long-period fiber grating to suppress spectral broadening of a high-power fiber MOPA laser system[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2021, 9(3): 03000e39
近日，南京理工大学沈华教授团队首次提出利用相移长周期光纤光栅（PS-LPFG）抑制高功率光纤激光器输出光谱线宽展宽的新方法。研究成果发表在 High Power Laser Science and Engineering 2021年第3期上。
团队利用PS-LPFG特殊的光谱滤波特性，将非线性效应激发的展宽激光从光纤激光器的纤芯中滤除，进而达到优化光纤激光器输出光谱线宽的目的。测试结果表明，研制的PS-LPFG能够将千瓦级MOPA光纤激光器的输出光谱线宽水平提升约37.97%。
PS-LPFG属于长周期光纤光栅（LPFG），因此其具备将前向传输的纤芯模耦合至前向传输包层模的能力。与普通LPFG不同，PS-LPFG中存在相移。当相移的位置在PS-LPFG的中间且其大小为π时，PS-LPFG的谐振峰将分裂为两个对称的谐振峰。此时PS-LPFG的光谱便构成了一个带通滤波器。这使基于PS-LPFG抑制高功率光纤激光器光谱展宽的方法成为可能。PS-LPFG的结构以及其抑制激光器光谱展宽的原理如图１所示。
图1 PS-LPFG的结构及其抑制激光光谱展宽的原理
根据PS-LPFG的这一特性，研究团队对PS-LPFG的周期、长度、相移位置以及相移大小等结构参数进行设计，使PS-LPFG的两个阻带与非线性效应引起的展宽激光相匹配，通带与信号激光相匹配，最终设计出了能够抑制光纤激光器光谱展宽的PS-LPFG。团队采用基于逐点扫描的方法刻写出了该种新型PS-LPFG，并利用团队特有的低温缓变结合高温渐变的热处理专利方法对刻写的光纤光栅进行退火处理，制作出的PS-LPFG光谱如图2所示。
图2 制作出的PS-LPFG光谱
为测试研制的PS-LPFG的性能，团队构建了一套千瓦级MOPA结构光纤激光器，其结构如图3所示。团队将PS-LPFG熔接于种子源的低反光纤光栅（OC-FBG）与剥离器（CPS-1）之间，进而抑制光纤激光器输出光谱展宽，取得的实验结果如图4所示。实验结果表明，研制的PS-LPFG对光纤激光器的光谱展宽具有明显的抑制作用，其线宽优化效果达37.97%。同时实验中观察到，PS-LPFG接入后系统的斜率效率提升了1.25%。此外测试结果也表明，接入PS-LPFG前后系统的输出激光光束质量未发生明显变化。
图3 构建的千瓦级MOPA光纤激光器测试系统结构示意图
图4（a）接入PS-LPFG前系统输出光谱，（b）接入PS-LPFG后系统输出光谱
目前，针对基于光纤光栅的高功率光纤激光器非线性效应抑制方法的研究主要聚焦于利用特殊结构光纤光栅抑制受激拉曼散射效应（SRS），而针对抑制自相位调制效应（SPM）或四波混频效应（FWM）引起的激光输出光谱展宽的研究仍处于空白。这是因为SRS效应激发的寄生激光光谱通常距离信号激光光谱数十纳米，利用啁啾倾斜布拉格光纤光栅（CTFBG）或长周期光纤光栅（LPFG）等具有连续阻带的特殊结构光纤光栅便能够很好地将寄生激光滤除。而SPM以及FWM引起的展宽激光通常紧贴于信号激光两侧，若使用CTFBG或LPFG抑制输出激光光谱展宽将会导致信号激光被大量滤除，进而致使系统输出功率大幅下降。因此具备带通滤波特性的PS-LPFG成为抑制高功率光纤激光器输出光谱展宽的理想方法。另外，PS-LPFG与光纤激光器系统具有天然的兼容性以及其具备的高功率承载特性与低插入损耗也使PS-LPFG特别适用于高功率光纤激光器中。
研究团队下一步的工作将聚焦于优化PS-LPFG的结构参数，进而进一步降低光纤光栅通带的线宽至亚纳米量级，使得该种光纤光栅器件能够应用于高功率窄线宽光纤激光器领域。同时，团队也将通过进一步改善PS-LPFG的制作工艺来提升光纤光栅的功率承载特性与稳定性，使其能够应用于更高功率的光纤激光器系统中。
科学编辑 | 南京理工大学 矫岢蓉
编辑 | 都玮