随机光纤激光器的专利申请统计分析研究

随机光纤激光器由光纤中分布后向瑞利散射提供随机反馈,光子在经历多重散射的同时,由拉曼增益放大,激光的产生不依靠界限明确的谐振腔,因此随机光纤激光器具有结构简单、稳定性强、高效率以及高功率等优点。作为激光领域的一个全新分支,随机光纤激光器在光纤传感、光传输、非线性光学以及无序光学等多个领域展现出巨大的研究潜力,激发了国内外科研人员的探索兴趣。本文对随机光纤激光器的专利申请情况进行了统计,详细分析了全球的专利申请趋势、全球申请人的分布,以及根据专利申请分析随机光纤激光器技术发展脉络。

频率间隔可切换多波长随机光纤激光器

提出一种基于腔损耗调控的频率间隔可切换多波长布里渊-拉曼随机光纤激光器。该激光器的一侧具有一个反射率可调的反射环,环内有一个可调衰减器,通过调节可调衰减器的衰减大小,从而改变反射环的反射率,可以切换所产生多波长信道的光信噪比和频率间隔。实验中,当可调衰减器衰减较小时(-2 dB),该随机激光器实际为半开腔结构,获得了带宽39 nm(1532~1571 nm)、单倍布里渊频移间隔(10.48 GHz)的多波长信道,此时光信噪比为17.2 dB。当可调衰减器衰减较大时(-30 dB),该随机激光器等效为双开腔结构,获得了带宽39.5 nm(1532~1571.5 nm)、双倍布里渊频移间隔(20.96 GHz)的多波长信道,此时光信噪比为25.2 dB。该结构相比其他频率间隔可切换多波长光纤激光器具有结构简单、信道带宽更宽等优点。

混凝土损伤随机光纤激光声发射检测系统

为了提高混凝土损伤定位精度,设计了一种相位解调型随机光纤激光声发射检测系统。采用超窄线宽随机光纤激光器作为传感端,激光器中的相移光栅作为声发射探头,通过多通道3×3相位解调技术可在500 kHz频带内实现声发射信号高速解调。测试试验表明该系统可准确获取连续型和冲击型声发射信号,且在1 kHz以上的最小声发射波探测分辨率约为2.8×10-13ε/√Hz,具有本底噪声低、信号探测分辨率高的特点。通过混凝土板二维时差法声源定位实验验证了该检测系统的可行性。对于混凝土样板,13次定位测试的绝对误差最大值<2.2 cm,标准差稳定在0.49 cm,轴向定位误差<2%,表明该系统能够实现较高精度的混凝土损伤声发射定位。

基于随机光栅的可调谐随机光纤激光器

提出一种基于随机光栅与高反射布拉格光栅(FBG)相结合的可调谐随机光纤激光器。利用980nm泵浦光源泵浦一段7m长的掺铒光纤(EDF)进行增益放大,由随机光栅提供随机反馈。随机光栅长7cm,具有约10 000个折射率修改点,这些点由飞秒激光逐点写入,并沿光纤方向随机分布,两点相邻间隔小于10μm。同时,利用中心波长为1 548nm的高反射FBG来组成半开放腔结构,实现了随机激光的输出。实验测得的泵浦阈值功率仅为18mW,斜率效率高达13.2%,并通过改变FBG的中心波长,实现了输出激光波长的可调谐,调谐范围为4.45nm(1 548.04~1 552.49nm)。得益于半开放式激光腔的设计和EDF的高增益,整个系统具有阈值低、效率高、结构简单等优点。

基于随机光纤激光器的多奇点涡旋光束

部分相干结构光束具有抗湍流闪烁和抑制散斑等特性,在大气传输和成像等领域具有广泛的应用潜力。提出并展示了基于随机光纤激光器产生的部分相干多奇点涡旋光束。对不同拓扑荷数涡旋光束的相干叠加进行仿真研究,发现叠加过程可产生具有多个奇点的复杂相位分布。采用中心波长为1081.3 nm的随机光纤激光器作为照明光源,通过搭建空间干涉环路实现多奇点涡旋光束的产生。奇点数目可通过改变参与干涉的涡旋拓扑荷数来实现灵活调控。该工作有望为多粒子控制、涡旋光通信、光学计算和成像等领域提供重要参考。

基于随机相移光栅的主动调Q随机光纤激光器的脉冲特性及其演化规律

重点阐述了基于随机相移光栅的主动调Q随机光纤激光器(RFL)的脉冲特性及其演化规律,比较了环形腔和线形腔主动调Q随机光纤激光器的时域脉冲特性。结果表明:在环形腔随机光纤激光器中,通过调控泵浦功率和电光调制器(EOM)的调制频率,能够获得倍周期、双脉冲、三脉冲、混沌脉冲等不同的脉冲状态;在线形腔随机光纤激光器中,同样观察到了与环形腔随机光纤激光器变化规律一致的脉冲分裂和倍周期现象,外部光注入除了会改变脉冲形状之外,不会从根本上改变脉冲的演化规律。主动调Q随机光纤激光器的脉冲特性是可调控的,其在生物模拟和加密通信中具有潜在的应用前景。

实现正交偏振嵌位的受激布里渊随机光纤激光器

布里渊随机光纤激光器(BRFL)是基于受激布里渊散射(SBS)效应和随机分布式反馈谐振腔组成的新型激光器。笔者基于保偏光纤(PMF)中SBS的非线性轴向偏振牵引效应,提出并实现了一种可实现正交偏振嵌位的受激布里渊随机光纤激光器(PMF-BRFL)。首先对PMF-BRFL系统的偏振工作分区进行了理论分析,接着讨论了系统偏振嵌位的动态范围与系统参数之间的关系,最后采用3 km长PMF实现了PMF-BRFL系统。该系统可以实现偏振态稳定正交嵌位的窄带激光输出,实验结果与理论分析结果一致。

基于M-Z滤波的波长可调谐掺铒光纤随机激光器

提出了一种基于M-Z结构的可调谐掺铒光纤随机激光器,并对随机激光输出过程、随机激光的波长可调谐输出以及随机激光的稳定性进行了实验研究。通过采用光纤熔接手段将两个2×2光纤耦合器进行熔接,构成全光纤M-Z滤波结构。实验结果表明,激光器的阈值功率为120 mW,调整可调谐衰减器改变增益损耗,实现波长可调谐输出,其中单波长输出分别为1 554.4,1 555.2和1 556.3 nm,信噪比达到31.65 dB;双波长输出分别为1 525.9,1 556.2和1 531.6,1 556.2 nm,信噪比优于21.92 dB;三波长输出分别为1 527.4,1 546.9,1 551.6和1 526.9,1 530.0,1 549.8 nm,信噪比优于20.10 dB;四波长输出为1 525.9,1 530.1,1 547.9和1 552.3 nm,信噪比优于18.95 dB;其中单波长和双波长的功率波动分别优于1.65和1.99 dB;激光器斜率效率为0.627%。

基于全光栅光纤的超窄线宽随机光纤激光器

设计并验证了一种采用全光栅光纤(AGF)作为随机反馈介质的窄线宽随机光纤激光器(RFL)。基于相位掩模法在利用拉丝塔在线制作的单模光纤纤芯上连续刻写长度为0.3mm的布拉格光栅(FBG)约4.3×105支,制作了长度为130m的AGF。利用光学环形器将AGF接入由掺铒光纤放大器、光纤隔离器和窄带光滤波器组成的环形激光腔中,构成环形RFL。结果表明,通过窄带光滤波器选模,基于AGF的RFL输出连续单模激光的最大功率为1.26mW,阈值电流为75mA,斜率效率为56%。抽运电流恒定为100mA时,基于AGF的RFL线宽为1.25kHz,光信噪比为75dB。当频率为1kHz以上时,激光器输出的相对强度噪声达到-90dB。相较于传统基于分立FBG的RFL反馈腔,基于AGF的RFL反馈腔具有更多的随机反馈点和更均匀的随机性,有利于RFL获得更窄的线宽。

2kW窄光谱随机光纤激光放大输出

随机光纤激光器（RFL）作为主振荡功率光纤放大器（MOPFA）的种子源，在放大过程中具有线宽保持特性，在高功率窄谱光纤激光及光谱组束领域有广阔的应用前景。中国工程物理研究院应用电子学研究所实现了2kw窄光谱随机光纤激光放大输出。

基于随机光纤光栅的窄线宽随机光纤激光器

为实现低起振阈值、高斜率效率的短腔窄线宽随机激光输出,提出一种基于随机分布光栅阵列的窄线宽随机光纤激光器。基于随机分布光栅阵列的随机光栅可有效提升随机光纤激光器的起振阈值与泵浦功率。在满足光局域化的前提下,利用随机光纤光栅超窄反射峰搭建超窄线宽随机光纤激光器,该激光器实现了1.33kHz的窄线宽随机激光输出,起振阈值为24.5mW,斜率效率约为10%,且激光输出功率与中心波长处于稳定状态。与其他激光器相比,所提激光器具有更低的起振阈值、更高的斜率效率、更短的腔长及相对简单的结构,有望在光通信、高功率窄线宽光纤激光器、光纤传感等领域得到进一步应用。

随机光纤激光同带抽运功率放大实现3 kW近衍射极限输出

随机光纤激光器利用无源光纤中微弱的瑞利散射提供随机分布式反馈并实现激光输出,具有结构简单、时间相干性低和极高时域稳定性,可用作高功率光纤放大系统的种子源。

1.7μm自同步皮秒脉冲随机拉曼光纤激光器

针对目前1.7μm波段短脉冲激光器普遍存在的结构复杂问题,提出并实现了一种全光纤化自同步皮秒脉冲随机拉曼激光器.采用1578 nm脉冲光纤激光器泵浦基于随机分布反馈的半开拉曼腔,实现了中心波长1695 nm,平均功率224 mW的皮秒脉冲输出.激光器无需精确匹配腔长或复杂的反馈控制,分布式瑞利散射形成的复合腔自动满足同步泵浦条件.通过在腔内插入波分复用器,抑制了随机子腔噪声,进一步提高输出脉冲的稳定性.本研究首次实现了工作在1.7μm波段的随机脉冲光纤激光器,可广泛应用于生物成像和材料加工等领域.

随机分布反馈光纤激光器时-频-空域特性研究进展

较为系统地回顾了近年来学术界在随机分布反馈光纤激光器时-频-空域特性方面的研究进展,分析总结了随机分布反馈光纤激光器的时-频-空域动态特性影响因素,展望了随机分布反馈光纤激光器应用于高功率激光驱动装置的前景,并对未来潜在的研究方向进行了探讨。

百瓦级中红外光纤随机激光放大

中红外波段高功率激光光源在工业加工和生物医疗等领域中有着广泛的应用。报道了基于主振荡器功率放大器(MOPA)结构的百瓦级中红外连续波光纤随机激光器,获得了最高输出功率为100.40 W、斜率效率为47.8%、波长为1980 nm的连续波激光输出。得益于MOPA结构中光纤随机激光种子源在激光放大过程中的光谱带宽保持特性,100.40 W激光输出时的3 dB光谱带宽仅为~0.2 nm。激光器的短时时域强度波动和长时功率波动均表现出优良的稳定性。所提实验技术方案和实验结果有望进一步拓宽中红外高功率光纤随机激光器的应用范围。

随机激光研究综述(特邀)

随机激光器由于其独特的结构和低相干性,在无散斑成像、传感、光治疗等领域中得到广泛应用。随机激光器的反馈机制是无序介质引入的光散射,高阈值和无方向性是其主要缺点。为解决这些问题,研究者们利用光纤的一维束缚获得低阈值并有一定方向性的光纤随机激光。近十年来,随机激光的发展经历了从非相干反馈到相干反馈、从完全无序到输出参数可控的过程。大量研究尝试用量子理论、混沌激光理论和数值分析等方法来解释随机激光的物理本质。回顾了随机激光和光纤随机激光的起源和发展历史,介绍了随机激光的分类和相关原理,总结了调控随机激光输出参数的方法并展示了随机激光的新近典型应用,分析了光纤随机激光的反馈类型和增益机制,并在最后展望了随机激光未来的发展趋势。

基于声致光纤光栅输出1.1~1.5μm波段高功率随机涡旋光束

近年来,携带轨道角动量(OAM)的涡旋光束因具有重要研究价值和应用前景而备受关注。随着涡旋光束在传感、测量以及大容量光通信中的应用,输出带宽以及波长可调谐性成为关注的热点。突破稀土掺杂光纤发射波长限制和宽带模式转换的器件是实现特殊波段/宽带涡旋光输出的基础。为同时满足以上要求,本文采用基于分布式瑞利散射的随机拉曼光纤激光器结构,结合具备宽带模式转换能力的声致光纤光栅(AIFG),通过级联拉曼频移,实现了1133.9、1197.6、1260.5、1331.8、1414.5、1513.7 nm波长处拓扑荷数l=±1的涡旋光束输出,并通过自干涉实验进行验证。在1513.7 nm波长处功率为23.6 W,效率为31.1%。该研究不仅在全光纤中实现了紧凑的波长可调谐高功率涡旋光输出,验证了AIFG的超宽模式转换能力,也为其他波段涡旋光输出提供了参考方案,可进一步拓展涡旋光在多维光通信、光场与物质相互作用等领域的应用。

近1μm波段可调谐光纤光源的研究进展

近1μm波段的可调谐光纤光源在光纤传感、激光冷却、光化学、光谱学以及医疗等领域具有广泛应用,近年来成为光纤光源领域的一个研究热点。本文首先系统回顾了能够实现波长调谐的4类光纤光源的发展历程,然后分析了它们存在的问题及可能的解决思路,最后对近1μm波段可调谐光纤光源进行了总结和展望。

基于光纤随机激光的1.7μm波段高功率涡旋光束产生

1.7μm激光处于眼安全波段并位于许多重要气体分子的指纹吸收峰,在生物医疗、气体传感等领域具有重要应用价值。而涡旋光束作为一种新兴的结构光场,其具有环形光强分布和螺旋相位波前,并携带轨道角动量,在光通信、微粒操控等领域应用广泛。因此发展1.7μm高能涡旋激光器具有重要的研究价值和应用前景。但传统稀土离子掺杂光纤或晶体的发射谱,或难以覆盖该波段,或在该波段激光增益较小,且涡旋光产生主要基于空间光结构,导致1.7μm波段涡旋光激光系统复杂、集成度低,难以实现高功率输出。本文利用螺旋长周期光纤光栅作为涡旋模式转换器,在基于受激拉曼散射效应的1.7μm波段光纤随机激光半开放腔中实现了全光纤结构的高功率涡旋激光输出,最大输出功率为2.09 W,中心波长为1690 nm。得益于涡旋光纤随机激光器的全光纤结构,该装置具有良好的时域稳定性,短时时域波动低至2.8%。该研究结果不仅为实现兼具高功率输出和良好时域稳定性的紧凑型1.7μm波段涡旋激光器提供有效方案,还能进一步拓展其在激光医疗、气体检测、光镊和生物成像等领域的应用。

基于光谱快速探测的光纤随机激光动态传感

拉曼光纤随机激光结合无源传感单元可以实现超长距离的准分布式传感。然而,受限于光谱探测速度,该传感方案通常只适用于静态传感领域。针对该问题,将拉曼光纤随机激光与拍频光谱探测技术相结合,提出了一种新型的拉曼光纤随机激光长距离动态传感技术。首先,基于含时光谱稳态模型论证了光谱快速测量对长距离动态传感的适用性。随后,在原理性验证实验中通过处理本振光与光纤随机激光拍频后的时域信号,实现了对光纤随机激光光谱的快速测量,并突破了光波往返时间对传感带宽的限制。同时,利用去噪卷积神经网络对光谱的中心波长变化进行标定,大幅提高了扰动信号探测的信号质量,实现了对不同频率、不同波形的扰动信息的准确测量。该研究为进一步拓展光纤随机激光的应用领域提供了新的思路。