高功率窄线宽激光光纤放大系统的布里渊散射抑制技术研究

High-power narrow-linewidth lasers have important applications in fundamental research and defense industry including gravitational wave detection, nonlinear frequency conversion, and coherent/spectral beam combining. In high-power narrow-linewidth fiber amplification systems, the stimulated Brillouin scattering (SBS) is one of the most influential bottleneck effects limiting output powers, thus, its suppression technology carries significant scientific and practical importance. SBS is an inelastic scattering effect excited by phonons, and in optical fibers, the SBS threshold is proportional to the effective modal area; meanwhile, the phonon excitation strength is closely related to the material properties of the medium. Therefore, the priority of this project is to emphasize on these two key factors. We plan to investigate novel optical fibers of ultra-large modal areas as well as new metamaterial structures, significantly enhance the SBS threshold, and hence explore new SBS suppression technologies. The detailed research plan includes: (1) design and fabricate novel single-mode fibers of ultra-large modal areas, which have unconventional rib and ring-core profiles; (2) utilize regular fiber glass materials as the host to design novel metamaterial structures of ultra-high SBS threshold, and analyze their SBS suppression effects in ultralarge-mode-area fibers. This project provides prospective technologies for SBS suppression for high-power narrow-linewidth fiber amplification systems, thus possesses significant values for both fundamental research and practical applications.

高功率窄线宽激光在引力波探测、非线性频率转换、相干/光谱合束等基础科研和国防工业领域具有重要应用。在高功率窄线宽激光光纤放大系统中，受激布里渊散射是限制功率输出的最大瓶颈效应之一，研究其抑制机理和技术具有重要的科学和实践意义。布里渊散射是由声子激发引起的非弹性散射，在光纤中其激发阈值和有效模场面积成正比，声子激发能力和材料本身特性密切相关。本项目拟优先针对这两个关键因素，开展超大模场光纤和超材料结构的研究，提高光纤布里渊散射的激发阈值，探索布里渊散射抑制的新方法。具体研究内容包括：（1）设计研制超大模场面积的新型单模光纤，分别具有脊形和环芯的非常规截面；（2）以常用光纤玻璃为基质材料，创新性设计具有超高布里渊散射阈值的超材料结构，分析其在超大模场光纤中对布里渊散射的抑制效果。本项目将为高功率窄线宽激光光纤放大系统的布里渊散射抑制方法提供前瞻性的技术储备，具备重要的基础科研和实际应用价值。

高功率窄线宽激光光纤放大系统在基础科研和国防工业领域有重要应用，受激布里渊散射是限制功率输出的关键瓶颈之一，研究其抑制机理和技术具有重要的科学和实践意义。光纤中的布里渊散射其激发阈值与模场面积和材料特性密切相关。本项目针对这两个关键因素，探索了布里渊散射抑制新方法，主要开展了以下研究内容：1）单模超大模场脊形波导和光纤的结构设计研制；2）单模超大模场环芯截面光纤的结构设计研制；3）超材料中的布里渊散射特性研究；4）可抑制布里渊散射的新型超材料设计分析。取得主要成果如下：1）设计研制了超大模场单模波导和光纤，得到了大模场脊形光波导及产生超模的波导阵列结构，进而设计了大模场全固态平面波导及阵列，具有19单元结构的平面波导阵列可获得达13059μm2的同相超模，预期可支持超过100kW的单模激光振荡和输运；波导设计应用于超大模场光纤设计，可达到相同超大模场单模特性和高功率运行。2）设计研制了单模超大模场的环芯截面光纤结构，对具有单沟槽八辐条环芯截面光纤结构进行了研究分析，可得到达9171.5μm2的超大单模模场，预期可支持超过50kW的单模激光振荡和输运。3）对超材料的非线性布里渊散射特性进行了建模分析，提出了一种计算混合气体布里渊线宽的理论模型和一种计算超材料电致伸缩三阶非线性光学极化率的方法，明确了电致伸缩三阶非线性光学极化率对频率的依赖性。4）设计构建了若干可控布里渊散射特性的新型超材料，通过最优化结构设计，可获得30dB抑制甚至零布里渊散射的新型超材料；超材料应用于超大模场激光光纤，可极大提升高功率窄线宽激光光纤放大系统的布里渊散射阈值。.本项目研究可为高功率窄线宽激光光纤放大系统的布里渊散射抑制提供前瞻性技术储备，具备重要的基础科研和实践价值。本项目已发表16篇SCI论文，已申请专利6项；已毕业博士生3名，硕士生3名，及在读硕博士生6名。