光纖激光器具有光束質量好、轉換效率高、結構緊湊以及柔性傳輸等優點，在航空航天、交通運輸、新能源等領域得到了廣泛應用。得益于高功率泵浦源和光纖器件制造技術的持續進步，光纖激光器的輸出功率不斷提升。然而，當激光功率達到千瓦級甚至更高水平時，光纖內的熱效應逐漸凸顯，成為限制系統性能的關鍵因素之一。其中，量子虧損是高功率光纖激光器熱負載的主要來源。量子虧損源于泵浦光與信號光之間的能量差，這部分能量差在激光轉換過程中會以熱的形式沉積在光纖中，從而引發熱致模式不穩定、光束質量退化以及光纖損傷等問題。因此，降低量子虧損被認為是減小系統熱負載、提升激光器穩定性，并最終實現更高功率輸出的關鍵途徑。

       近年來，研究人員圍繞低量子虧損光纖激光開展了大量研究。例如，通過級聯泵浦方案或優化稀土摻雜光纖材料組分來減小泵浦與信號波長之間的能量差。然而，由于傳統稀土摻雜光纖的吸收和發射譜受到離子能級結構的限制，在保持高功率輸出的同時實現低量子虧損仍然面臨較大挑戰。另一方面，基于受激拉曼散射機制的拉曼光纖激光器具有波長可擴展和結構靈活等優勢，為實現低量子虧損激光輸出提供了新的技術路徑。因此，探索新的拉曼增益機制并實現低量子虧損高功率輸出，成為當前光纖激光領域的重要研究課題之一。

       針對高功率光纖激光中由于量子虧損帶來的熱負載問題，國防科技大學周樸研究員、許將明副研究員團隊開展了低量子虧損拉曼光纖激光技術研究。此前的研究結果表明，摻磷光纖中存在由材料局域振動模式引起的玻色峰，該結構可在低頻移區域提供拉曼增益，為實現低量子虧損激光輸出提供了新的思路。在此基礎上，本工作進一步探索在保持低量子虧損條件下實現高功率激光輸出。

       與傳統石英光纖相比，摻磷光纖除了具有常規的13.2 THz拉曼增益峰外，還在約3.6 THz低頻移區域存在玻色峰增益。在實驗中，團隊搭建了一套基于摻磷光纖的高功率拉曼光纖放大器系統。系統采用時域穩定且波長可靈活調諧的超熒光光纖光源分別作為泵浦源和種子源，通過光譜濾波與功率放大獲得穩定輸出。泵浦光與種子光經波分復用器后共同注入放大級，隨后在摻磷光纖中通過受激拉曼散射效應實現1087 nm信號光的高功率放大。

圖1 千瓦級超低量子虧損拉曼光纖激光器實驗裝置示意圖

       在實驗過程中，研究團隊重點研究了泵浦波長調諧對激光器輸出性能的影響。通過固定信號光波長為1087 nm，并調節泵浦光中心波長，使泵浦與信號光之間的頻移接近摻磷光纖玻色峰的增益位置，從而在保持低量子虧損的同時獲得較高拉曼增益。實驗結果表明，當泵浦波長為1078 nm、摻磷光纖長度為120 m時，系統能夠實現最高1250 W的信號光輸出，對應量子虧損僅為0.83%，成功實現千瓦級超低量子虧損拉曼光纖激光。

圖2 泵浦波長為1078 nm 時的輸出光譜及功率曲線。（a）最大功率下的輸出光譜；（b）不同泵浦功率下的光譜演化；（c）功率演化曲線

       在此基礎上，研究團隊進一步通過優化參數探索更高功率輸出能力。通過縮短摻磷光纖長度至90 m、并調節泵浦波長至1075 nm，實現了1543 W的信號光輸出，對應量子虧損為1.1%。實驗結果表明，通過合理匹配玻色峰與實際的泵浦-信號光頻移并優化光纖長度，可以在保持低量子虧損的同時實現更高功率輸出。

圖3 摻磷光纖長度為90 m時的（a）最大信號光功率條件下的光譜圖；（b）光譜演化圖；（c）功率演化曲線

       總體而言，該研究在已有玻色峰拉曼增益機制研究的基礎上，兼顧實現了高功率與低量子虧損，成功獲得千瓦級超低量子虧損光纖激光輸出。相比傳統高功率光纖激光器，該方案能夠顯著降低系統熱負載，可為實現更高功率、更低熱負載的光纖激光器提供重要參考。

       團隊將進一步圍繞摻磷光纖中玻色峰的形成機理開展研究，探索玻色峰頻移位置及其增益特性的調控方法。在此基礎上，通過優化光纖材料組成和制備工藝，實現對玻色峰特性的有效調控，制備出具有更低頻移拉曼增益特性的光纖，從而進一步降低量子虧損并提升光纖激光的輸出功率。

參考文獻： 中國光學期刊網

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