【资讯】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”

       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。

       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。

       相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2026年第3期（Xiulu Hao, Tianfu Yao, Bing Lei, Bangwen Yin, Shanmin Huang, Chenchen Fan, Jinyong Leng, Pu Zhou, Ilya N. Nemov, Alexander V. Dostovalov, Sergey A. Babin, "Passive spectral tailoring via random fibre gratings for linewidth management in a kilowatt cascaded Raman fibre oscillator," High Power Laser Sci. Eng. 14, 03000e45 (2026)）

       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

       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。

图4 实验结果（a）信号光的输出功率；（b）输出光谱随输出功率的演化；（c）输出光谱的线宽特性

       本工作首次提出了将光谱整形概念以被动、内置的方式“住进”级联拉曼光纤振荡器，成功为高功率运转下的光谱“瘦身”。在实现千瓦级功率输出的同时有效控制了光谱线宽，尤其是抑制了传统方案中难以解决的光谱翼部展宽。该成果展示了“lab-on-fiber”概念在集成先进功能方面的潜力，为高功率、高光谱纯度光纤激光器的研发提供了新的技术路径。纳米级的线宽远非该项工作的最终目标，未来，团队将在进一步压窄线宽等方面进行深入的理论与实验研究。

参考文献： 中国光学期刊网

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