泵浦源、增益物質(zhì)和諧振腔是構(gòu)成激光器的三要素。由于諧振腔對(duì)激射頻率的選擇作用，多縱模運(yùn)轉(zhuǎn)是基于傳統(tǒng)諧振腔結(jié)構(gòu)的光纖激光器的特性之一，表現(xiàn)為射頻(radio frequency, RF)譜上周期性的拍頻峰和時(shí)域上強(qiáng)度序列的周期性波動(dòng)，并且激光縱模的頻率間隔由諧振腔長(zhǎng)確定。然而，離散的多縱模結(jié)構(gòu)也為一些基于激光的應(yīng)用帶來了困擾。例如，在基于激光器的光學(xué)傳感系統(tǒng)中，通過相移光柵等傳感元件獲得的單頻信號(hào)峰在隨溫度、應(yīng)變等傳感參數(shù)發(fā)生頻率移動(dòng)時(shí)，只能在離散的縱模之間跳轉(zhuǎn)而無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的頻移。因此，離散的縱模限制了這類光學(xué)傳感器的最高分辨率。此外，在基于硬件加密技術(shù)的保密通信中，諧振腔反饋引入的光信號(hào)的時(shí)域周期性波動(dòng)會(huì)泄露激光腔的長(zhǎng)度信息，降低保密光通信的安全性。而在基于激光強(qiáng)度波動(dòng)的超高速隨機(jī)比特序列生成中，時(shí)間周期波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)重復(fù)，從而弱化了生成序列的隨機(jī)性。同時(shí)，多縱模光纖激光器似乎不可能實(shí)現(xiàn)與單頻激光器一樣極低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。

近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心舒學(xué)文教授團(tuán)隊(duì)提出了一種無模式的拉曼光纖激光器(Raman fiber laser, RFL)。激光器采用傳統(tǒng)的諧振腔結(jié)構(gòu)，但是輸出腔鏡采用了一個(gè)具有超低反射率的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)。由于調(diào)制不穩(wěn)定性，隨著腔內(nèi)Stokes波功率的增加，腔內(nèi)縱模逐漸展寬，最終覆蓋縱模間距，導(dǎo)致相鄰縱模相互重疊，呈現(xiàn)出一種無模式運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)。相關(guān)研究結(jié)果以“Modeless Raman fiber laser”為題，發(fā)表于《Optica》2023年第10卷第8期。

無模式RFL的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為了避免由泵浦源向拉曼激光的相對(duì)強(qiáng)度噪聲傳遞，泵浦源采用實(shí)驗(yàn)室自行搭建的ASE光源，中心波長(zhǎng)1540nm，最大輸出功率10.3 W。輸出光柵采用一個(gè)超低反FBG，反射率為-27 dB。

激光縱模的情況可通過RF譜來反映。圖2(a)顯示了在不同激光輸出功率下實(shí)驗(yàn)測(cè)量的拉曼激光器的RF譜。在低功率水平下，RF譜上具有顯著的特征峰。但隨著Stokes波功率的增大，與腔長(zhǎng)相關(guān)的周期性拍頻峰逐漸展寬并且峰的高度變小。當(dāng)激光輸出功率達(dá)到5.71 W時(shí)，RF譜上不再有可分辨的周期性拍頻峰。這意味著激光的離散多縱模將隨著功率的增加而逐漸展寬，并逐漸覆蓋縱模間距，最終縱模完全重疊。在這種情況下，RFL不再像傳統(tǒng)激光那樣具有離散的縱模結(jié)構(gòu)，而是產(chǎn)生類似于ASE光源的準(zhǔn)連續(xù)光譜。

研究團(tuán)隊(duì)利用廣義非線性薛定諤方程對(duì)拉曼光纖激光器中光場(chǎng)隨激光輸出功率的演變進(jìn)行了模擬，得到RFL的射頻譜如圖2(b)所示。仿真結(jié)果顯示，周期性的拍頻峰隨著功率的增加逐漸消失，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果基本一致。

由于無模式的拉曼光纖激光器生成準(zhǔn)連續(xù)的光譜，將其用于激光傳感系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的調(diào)頻，從而顯著提高光學(xué)傳感器的分辨率。同時(shí)，RF譜上拍頻峰的消失意味著激光輻射不再有與諧振腔長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的時(shí)域周期性，這在保密通信、隨機(jī)序列生成以及時(shí)域鬼成像領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，與傳統(tǒng)激光器相比，所搭建的無模式拉曼光纖激光器具有極低的相對(duì)強(qiáng)度噪聲。該研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFE0117400)、國家自然科學(xué)基金(62275093)和歐盟H2020 MSCA RISE項(xiàng)目的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.488920