非线性丙类功率放大器实验_倾斜光纤Bragg光栅：抑制高功率光纤激光系统SRS和SBS的理想选择...

在高功率光纤激光系统及其应用中，为了避免回光对系统的影响甚至损伤，一般需要加入光隔离器。但是，目前的隔离器只是输入/输出采取光纤耦合，内部为空间结构，严重制约其高功率承受能力，当前最高功率仅为百瓦级，而且体积很大，使用不便。
很多时候，需要隔离的并非信号光，而是非线性效应产生的其它波长的光，比如受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）和受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）产生的后向斯托克斯光（Stokes）。同时，为了提升信号激光的输出效率和避免光束质量退化，还需要对非线性效应产生的前向非信号光进行抑制。这种情况下，倾斜光纤Bragg光栅（Tilted Fiber Bragg Grating，TFBG ）将是一种理想的选择，它是一种全光纤结构的双向隔离器。
自2017年我们首次报道利用啁啾TFBG抑制光纤激光系统的SRS以来[1]，基于大模场双包层光纤的高功率啁啾TFBG 获得了极大关注和快速发展，已经在实际高功率光纤激光系统中发挥了重要的作用，目前已有千瓦级的产品。一、TFBG基本原理
TFBG是指光纤纤芯内周期性折射率调制平面与光纤轴向之间存在一定倾角，如图1所示。根据折射率调制周期沿光纤轴向是否均匀，TFBG分为非啁啾和啁啾两种类型。下面用TFBG表示非啁啾倾斜光纤光栅，用Chirped and Tilted Fiber Bragg Grating（CTFBG）表示啁啾倾斜光纤光栅。

图1 倾斜光纤光栅结构示意图

图2 倾斜光纤光栅透射谱仿真结果
在TFBG中，由于倾斜角度的存在，前向传输的纤芯模除了会与后向传输的纤芯模发生耦合，同时还会与后向传输的包层模发生耦合，包层模在传输过程中迅速损耗掉，因此透射光谱中短波区域会出现许多分立的带阻谐振峰，如图2中蓝色梳状曲线所示，各谐振峰中心波长由下式给出：

其中

是谐振波长，

和

分别是纤芯模和第i阶包层模的有效折射率，

是光栅的周期，
θ代表倾斜角度。对于CTFBG，啁啾的引入使得每个谐振峰展宽并彼此重叠形成圆滑包络，如图2中红色曲线所示。
因此，TFBG可以用作极窄带滤波器，比如用于后向SBS的滤除；CTFBG可作为宽带滤波器，比如用于后向SRS的滤除。二、TFBG制备方法
TFBG的制备离不开光纤光栅刻写技术的发展，已经报导了多种制备方法。其中，相位掩模板法具有工艺简单、参数改变灵活等特点，是目前使用最广泛的方法，其刻写系统构成如图3 所示。由准分子激光器出射的紫外激光经两面平面高反镜后通过柱透镜聚焦在相位掩模板上发生衍射，±1级衍射光在紧邻的光纤上形成干涉条纹，在纤芯中实现周期性折射率调制完成光栅的刻写。

图3 相位掩模板法刻写系统示意图

图4 相位掩模板法制备TFBG示意图：(a)旋转模板；(b) 整体转动
实现倾斜角度刻写的方法主要有旋转模板和整体转动两种，分别如图4（a）和（b）所示。图4（a）中，相位掩模板平面与紫外入射光保持垂直，与光纤平行，刻写时以光入射方向为轴旋转一定角度θ。这种方法适合各种角度的TFBG制作，但需要注意的是，随倾斜角度增大，可制作出的TFBG长度急剧减小。
图4（b）中，相位掩模板与光纤同时转动，二者之间仍保持平行。此时，相位掩模板不再与紫外激光光轴垂直。为确保紫外激光仍聚焦在相位掩模板上，需要将聚焦柱透镜沿同样方向转动同样的角度，即聚焦柱透镜、相位掩模板和光纤三者均转动同样角度θ
。这种方法通常只适用于
θ< 30°的情况。当
θ = 30°时，+1级衍射光的能量为﹣1级的90%，而当
θ = 45°时，+1级衍射光的能量只有﹣1级的24%。随着角度的增加，会严重影响光栅的调制深度。 三、TFBG的应用
TFBG已广泛应用于光纤传感领域，如弯曲、温度、振动、折射率等参量的测量。同时，TFBG也在光纤通信领域有重要的应用价值，可用作掺铒光纤放大器的增益平坦器、色散补偿器件、光纤型滤波器及波分复用器等等。这里重点关注TFBG在高功率光纤激光系统中的应用，下面简单介绍近年来，我们将CTFBG用于SRS抑制和TFBG用于SBS抑制的研究进展情况。01
CTFBG用于大功率光纤激光系统SRS抑制
尽管目前高光束质量单纤激光输出功率已突破20 kW，但受到抽运源亮度、非线性效应和热效应等诸多因素的影响，其输出功率的进一步提升挑战巨大。其中，SRS是关键限制因素之一。2017年以来，我们一直致力于大模场双包层CTFBG的制备研究，取得了较好的进展，目前已用于实际5 kW光纤激光放大器中，将CTFBG置于种子和放大级之间，抑制效果如图5所示[2]。

图5 CTFBG用于5kW光纤激光放大器Raman抑制效果
随着CTFBG制备工艺的改进，进一步降低插入损耗，将来可承受更高的激光功率，则在应用中不仅可置于种子和放大系统之间，还可置于高功率振荡器和放大级内部，一方面起到隔离后向Raman光保护前级系统的作用，另一方面可以增加系统的Raman阈值，提升有效的输出功率，避免因拉曼引起的光束质量退化。此外，还可将CTFBG用于高功率光纤激光系统输出的传能光纤中，增加有效传输距离。应用示意图如图6所示。

图6 利用CTFBG进行SRS抑制的大功率光纤激光（a）放大器和（b）振荡器结构示意图02
TFBG用于光纤SBS抑制
对于窄线宽光纤激光系统，SBS是制约其功率提升的首要因素。一旦SBS阈值达到，前向激光功率将出现滞涨现象，注入的激光能量都转换成后向的Stokes光，严重影响系统的性能甚至造成损伤。针对此，我们首次提出了基于TFBG的SBS抑制方案，并搭建了图7所示的原理验证实验系统。初步结果表明，通过合理设计TFBG相关参数，一方面可以滤除后向Stokes光[3]，保护前级系统；另一方面还可增加SBS阈值，提升前向输出激光功率[4]，如图8所示。

图7 基于TFBG的光纤SBS抑制实验系统示意图

图8 基于TFBG的SBS抑制效果
下一步，如果想在实际的高功率窄线宽激光系统中应用，除了需要改进制备工艺，降低插入损耗，提升承受功率，还需要重点解决TFBG工作过程中的波长稳定性问题。由于TFBG的抑制带宽非常窄，其透射谱对温度非常敏感，环境或激光功率的提升带来的温度变化可能导致SBS抑制完全失效，还可能急剧增加信号光的插入损耗。通过精确控制TFBG的温度，在低功率下实现了稳定工作，但是这种方法在高功率下是否可行，还有待进一步实验验证。结 语
随着TFBG研究的不断深化，除在传统的光纤传感、光纤通信等领域广泛应用外，在高功率光纤激光领域中也逐渐彰显其应用价值。CTFBG凭借其制作方便、高稳定性等特点，已用于大功率光纤激光系统的SRS抑制，下一步将突破在更大芯径的双包层光纤上的刻写工艺，重点解决超低插入损耗、宽带抑制、耐受高功率等问题，有望在进一步提升大功率光纤激光输出功率和增加其有效传输方面发挥重要作用。
非啁啾TFBG具有高功率窄线宽光纤激光SBS抑制的应用前景，但必须解决诸如大模场光纤上TFBG制备、光谱优化、高功率下的稳定工作等关键问题。伴随着光纤光栅制备技术的发展，尤其是基于飞秒激光刻写的光纤光栅制备技术的不断完善，进一步促进TFBG性能的提升，必将在更广阔的应用领域大放光彩。
参考文献：
1. Wang M, Zhang Y, Wang Z, et al. Fabrication of chirped and tilted fiber Bragg gratings and suppression of stimulated Raman scattering in fiber amplifiers [J]. Optics Express, 2017, 25(2): 1529-1534
2. Tian X, Zhao X, Wang M, Wang Z. Effective suppression of stimulated Raman scattering in direct laser diode pumped 5 kilowatt fiber amplifier using chirped and tilted fiber Bragg gratings [J]. Laser Phys Lett. 2020, 17(8): 085104.
3. 田鑫, 王蒙, 王泽锋. 基于倾斜光纤Bragg光栅的受激布里渊散射滤波器[J]. 光学学报, 2020, 40(10): 1006002.
4. Tian X, Zhao X, Wang M, Wang Z. Suppression of stimulated Brillouin scattering in optical fibers by tilted fiber Bragg gratings [J]. Optics Letters, 2020, 45(18): 4802-4805

作者简介：
王泽锋，1980年，男，博士，教授，博士生导师，主要从事大功率光纤激光与器件、光纤气体激光器等方面的研究。
王蒙，1992年，男，博士，助理研究员，主要从事大功率光纤光栅制备与应用研究。
田鑫，1997年，男，硕士研究生，主要从事倾斜光纤光栅制备与应用研究。

课题组介绍：
国防科技大学前沿交叉学科学院高能激光技术研究所光纤激光研究课题组主要从事大功率光纤激光的基础理论、数值仿真设计、光纤器件研制、光纤激光器研制等研究工作。
近年来，该课题组在倾斜光纤光栅设计、制备与应用方面开展了大量研究。首次公开报道将啁啾倾斜光纤光栅用于大功率光纤激光系统的受激拉曼散射抑制，研制的啁啾倾斜光纤光栅已经在实际系统中得到了应用，发挥了重要作用。国际上首次提出并演示了利用非啁啾倾斜光纤光栅抑制光纤中受激布里渊散射的思路，在高功率窄线宽光纤激光器、光纤通信、光纤传感中有重要的潜在应用价值。

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