文 / 文涛，上海飞博激光科技有限公司
高功率连续波掺镱光纤激光器因具有电光效率高、光束质量好、热管理方便等优点，在工业加工、军事国防、科学研究等领域得到广泛应用，但是高功率条件下的非线性效应和热效应限制了其输出功率的进一步提升。
对于高功率双包层光纤激光器，当单根光纤的输出功率达到千瓦时，纤芯中的功率密度会很高，此时容易产生非线性效应，造成输出光单色性降低。此时光纤中的非线性效应也是输出信号光功率下降的最主要来源，包括受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）。SBS的散射光频移过程主要发生在窄谱（通常谱宽小于0.8 nm）光纤激光器中，这一类的光纤激光器主要用在科研和国防领域。当前的工业应用，如激光切割、激光焊接、激光熔覆等对谱宽并不做严格要求，工业加工的主流方向还是追求高功率激光器对应的高效率加工应用。通常大功率光纤激光器光谱宽度相对较宽，不需要考虑SBS。
在宽谱高功率光纤激光器中，受激拉曼散射会将信号激光功率转化到斯托克斯光上，达到拉曼阈值后，斯托克斯光呈指数形式迅速增长。如果把信号光以外的光都作为噪声，此时激光输出的信噪比会迅速下降。所以，对于万瓦级别及以上功率的激光器来说，SRS的效应已经较为显著。把激光器输出功率中的拉曼散射光功率达到输出光总功率的１％时，系统的泉浦光功率定义为SRS阈值[1]。拉曼散射效应的阈值功率计算公式为：
公式中，Aeff 为光纤有效模场面积，Leff 为有效光纤长度，
为拉曼增益系数，跟激光波长和泵浦波长有关。
SRS效应的不利影响
高功率激光器中，SRS效应的主要影响有以下三个方面：
拉曼影响激光器输出功率和光束质量
光纤激光器中，SRS效应所激发的拉曼散射光是沿光纤长度方向双向传输的。一方面会导致信号激光的部分功率转移给拉曼散射光，使得信号激光的功率下降。后向拉曼散射光会损坏激光器系统中的光纤器件，从而限制光纤激光器输出光功率的进一步提升。另一方面，拉曼光的产生还会恶化激光器的输出光束质量，从而影响应用效果。
拉曼影响整个应用系统的发热，导致可靠性下降
对于工业激光器，SRS产生的波长相对于信号光波长相差约50 nm。图1所示的是典型的工业高功率激光器输出的光谱图，信号光的中心波长1080 nm，一级拉曼光的中心波长1130 nm。
图1 典型的激光器输出光谱
这将带来另一个问题，要求光路上的相关光学器件镀膜还需要在这一波长实现高透。当前，光学器件的增透镀膜一般都是针对中心波长附近几十纳米左右，对应拉曼波长实际的透过率一般在90%左右，涉及的器件包括传能光缆输出面的石英柱、切割头内部的保护镜片和准直聚焦镜片。
在高功率的情况下，SRS的光容易在这些部位反射“淤积”导致发热，应用效果下降，并可能使整个系统的可靠性下降，甚至导致激光器或切割头烧毁。举例说明，就信号波长的激光拉曼光强度比20 dB而言，对于光谱进行积分，拉曼光功率占比约2%，而对于20 kW激光器而言，2%加上镜片的10%反射则意味着40 W的拉曼光，这对激光器系统链路上的光学元件造成一定压力，尤其是部分厂家对1130 nm附近的镀膜实际透过率可能更低。
当拉曼光足够强时，还会产生2级甚至3级拉曼光，即在更长的波长上产生激光，加剧对整个系统的压力。结合当前的应用和器件承载能力，对于20 kW和30 kW功率等级的激光器，信号光和拉曼光强度抑制比大于20 dB相对较为合理。
拉曼的产生限制了激光器输出铠甲长度的增加
拉曼阈值和有效光纤的长度呈现反比的关系对目前高功率整机的应用带来一定的影响。所谓光纤的有效长度是指含有源光纤和无源光纤整体激光传输路线上的光纤长度。若万瓦级以上功率的激光器拉曼控制不好，传能光缆的长度就不能做长，如国内几家激光器厂家的20 kW和30 kW激光器，传能光缆在100 μm输出的情况下，长度标配只能做到20 m。然而，这一功率等级的激光器往往服务于超大幅面的加工机床，铠甲的长度势必限制了加工应用的便捷性和效率提升。
SRS效应的抑制手段
根据公式可以直接看出，影响光纤激光器中 SRS 阈值的因素有光纤长度、纤芯直径、拉曼增益系数等。根据 SRS 的形成机理及其阈值公式，SRS 的抑制方法主要有以下几种：
光纤结构设计增大光纤有效模场面积
SRS 阈值与光纤有效模场面积成正比，采用大模场面积光纤能够降低纤芯中入射激光的功率密度，从而提升SRS阈值[2]。目前获得大模场面积增益光纤的结构设计主要有：降低数值孔径从而直接增大纤芯直径[3]、光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)、泄漏通道光纤(Leakage Channel Fiber, LCF) [4]等，目前，工业领域受限于批量生产和成本的压力，一般采用低NA的大模场双包层光纤，其余特殊结构光纤应用较少。
减小光纤有效长度
根据工时可知光纤激光器的 SRS 阈值与光纤有效长度成反比，较长的相互作用距离会显著增强 SRS 效应[5]。在有源光纤段，通过稀土离子的高浓度掺杂可以在保证增益光纤对泵浦光充分吸收的同时尽可能地缩短光纤长度， 提升 SRS 阈值的同时也减少了SRS的放大。
控制输出激光的光谱
对输出激光的光谱及逆行调控的方法主要有光谱线宽控制（SCHREIBER T, LIEM A, FREIER E, et al.. Analysis of stimulated Raman scattering in CW kW fiber oscillators[J]. Proceedings of SPIE, 2014, 8961: 89611T.）和SRS光谱滤波等。
所以，在更高功率的激光器中，适当的使用宽谱光栅增加激光谱宽可降低光谱密度进而提升拉曼的阈值。此外，目前市面在用的倾斜光栅主要就是通过滤除SRS光，从而降低SRS被放大的影响。
当前，受激拉曼散射效应和模式不稳定现象是限制光纤激光器功率提升和应用可靠性的主要原因，工业市场上基本采用非相干合束方案实现万瓦级的功率输出。受激拉曼散射一定需要控制，提高光谱的信噪比，提升激光器的可靠性和应用加工的稳定性。
参考文献
[1] Limpert J，Tunnerman A. On the Raman Treshold of passive large mode area fibers[J]. ProcSpie, 2011, 7914(1):301-305
[2] CHEN JX, SUI ZH, CHEN F SH, et al.Stimulated Raman scattering in high power double clad fiber laser[J]. Chinese Journal of Lasers, 2006, 33（3）: 298-302
[3] JAIN D, JUNG Y M, BARUA P, et al. Demonstration of ultra-low NA rare-earth doped step index fiber for applications in high power fiber lasers[J]. Optics Express, 2015, 23（6）: 7407-7415.
[4] GU G C, KONG F T, HAWKINS T W, et al.Impact of fiber outer boundaries on leaky mode losses in leakage channel fibers[J]. Optics Express, 2013, 21（20）: 24039-24048.
[5] 胡姝玲，张春熹，高春清，等. 包层抽运掺镱光纤激光器中受激拉曼散射和受激布里渊散射效应[J]. 中国激光，2008，35（1）：6-10.
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