渐变折射率拉曼光纤激光器中模式演化特性及光束净化机理研究

Thanks to the unique advantages on beam cleanup, the Raman fiber laser based on the graded-index (GRIN) fiber has opened a novel way to achieve quasi-single-mode laser beam. At present, most results on GRIN Raman fiber laser are experimental results. The quasi-single-mode laser beam is hard to be maintained with high-power or low-brightness pumping, due to the lack of physical description on multimode stimulated Raman scattering process in theory. Therefore this proposal will focus on both the theoretical and experimental investigations on the mode evolution and beam cleanup in Raman fiber laser based on GRIN fiber. The main contents in this proposal are listed as follows:.(1) Build the energy conversion equations to describe the power coupling process among the multimode at pump and signal wavelengths. Analyze the mode evolution along the GRIN fiber..(2) Investigate the impacts of GRIN fiber, pump source, resonant cavity and seed source on the output laser power and modal characteristics systemically. Find the physical mechanism of beam cleanup..(3) Clarify the interaction between the beam cleanup and higher order Raman Stokes generation. Explore the effective suppression on higher order Raman Stokes via theory and experiment, to achieve power scaling and beam-cleanup enhancement at the same time. The ultimate goal of this proposal is to find general laws for the design and optimization of the high-power Raman fiber laser with quasi-single-mode output.

基于渐变折射率（graded-index, GRIN）光纤的拉曼光纤激光器在光束净化方面有着独特优势，是实现准单模激光的全新技术手段。目前GRIN拉曼光纤激光器研究仅停留在初步的实验阶段，在高功率或低亮度泵浦时实现准单模输出仍存在较大难度，缺少对多模受激拉曼散射动力学过程的完整物理描述。鉴于此，本项目拟开展GRIN拉曼光纤激光器中模式演化特性及光束净化机理的理论以及实验研究，具体内容有：.(1)建立受激拉曼散射过程中泵浦光与信号光各个模式的能量耦合方程，分析GRIN拉曼光纤中的模式演化特性；.(2)综合考虑GRIN光纤、泵浦源、激光器谐振腔、放大器种子源等对输出激光功率以及模式的影响，研究光束净化的物理机理；.(3)厘清光束净化与高阶拉曼产生的相互作用机理，探索抑制高阶拉曼的有效方案，提升GRIN拉曼光纤激光器输出功率及光束净化性能，为高功率准单模拉曼光纤激光器奠定理论基础并提供实验支撑。

基于渐变折射率（graded-index, GRIN）光纤的拉曼光纤光源具有光束净化特点，是实现高光束质量激光输出的有效途径。本项目以GRIN拉曼光纤激光系统为研究对象，围绕其中的模式演化特性，从理论与实验开展研究，旨在利用光束净化效应获得高功率、高亮度拉曼激光输出。已开展的主要研究内容及取得的成果如下：.1.建立了多模拉曼光纤振荡器及放大器中模式演化及热传导分布的理论模型，通过对多模GRIN光纤与阶跃折射率（step-index, SI）光纤对比，研究激光器结构、泵浦方式、光栅反射率、纤芯直径、种子功率等对模式及功率演化、温度演化及热致折射率分布等影响，优化光束净化效果，为后续拉曼光纤激光的功率提升及热管理方案提供理论指导。.2. 对单模拉曼光纤放大器中输入光谱与时域特性对输出特性的影响进行实验研究。分别对泵浦光与种子光的时域稳定性、输入带宽、种子光的功率、拉曼频移量等参数进行了系统的实验对比，验证提升拉曼放大器输出功率的可行方案。.3. 对高功率GRIN光纤拉曼放大器进行了实验探索。通过对种子、泵浦光的功率、波长等参数的优化，首次获得了2 kW拉曼光纤激光输出，并对高功率下的模式不稳定现象进行表征。进一步地，利用优化设计的泵浦信号合束器，实现了高功率下的光束净化，2 kW输出功率对应的M^2为2.8，亮度提升11.2倍。.4. 为了降低热效应对输出激光稳定性的影响，选用了金属铝为涂覆层的特殊GRIN光纤搭建了拉曼光纤放大器，将光束净化的输出功率进一步至3 kW，亮度提升倍数最高为9，为目前GRIN拉曼光纤光源的最高功率水平，取得了良好的制冷效果。.5. 基于紫外光与飞秒激光刻写的多模GRIN光纤光栅，开展了高功率拉曼振荡器及半开腔结构随机光纤激光器实验研究，均获得了输出亮度的增强，其中振荡器最高输出功率为333 W，M^2因子为2.7，亮度提升最高为5.17倍。随机光纤激光器最高功率为306 W，最优光束质量M^2为1.76，百瓦级输出功率对应的M^2为2.1，实现了准单模激光输出。