泵浦源、增益物質和諧振腔是構成激光器的三要素。由于諧振腔對激射頻率的選擇作用，多縱模運轉是基于傳統諧振腔結構的光纖激光器的特性之一，表現為射頻(radio frequency, RF)譜上周期性的拍頻峰和時域上強度序列的周期性波動，并且激光縱模的頻率間隔由諧振腔長確定。然而，離散的多縱模結構也為一些基于激光的應用帶來了困擾。例如，在基于激光器的光學傳感系統中，通過相移光柵等傳感元件獲得的單頻信號峰在隨溫度、應變等傳感參數發生頻率移動時，只能在離散的縱模之間跳轉而無法實現連續的頻移。因此，離散的縱模限制了這類光學傳感器的最高分辨率。此外，在基于硬件加密技術的保密通信中，諧振腔反饋引入的光信號的時域周期性波動會泄露激光腔的長度信息，降低保密光通信的安全性。而在基于激光強度波動的超高速隨機比特序列生成中，時間周期波動會導致信號重復，從而弱化了生成序列的隨機性。同時，多縱模光纖激光器似乎不可能實現與單頻激光器一樣極低的相對強度噪聲。
近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心舒學文教授團隊提出了一種無模式的拉曼光纖激光器(Raman fiber laser, RFL)。激光器采用傳統的諧振腔結構，但是輸出腔鏡采用了一個具有超低反射率的光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)。由于調制不穩定性，隨著腔內Stokes波功率的增加，腔內縱模逐漸展寬，最終覆蓋縱模間距，導致相鄰縱模相互重疊，呈現出一種無模式運轉的狀態。相關研究結果以“Modeless Raman fiber laser”為題，發表于《Optica》2023年第10卷第8期。
無模式RFL的結構如圖1所示。為了避免由泵浦源向拉曼激光的相對強度噪聲傳遞，泵浦源采用實驗室自行搭建的ASE光源，中心波長1540nm，最大輸出功率10.3 W。輸出光柵采用一個超低反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驗測量的拉曼激光器的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，與腔長相關的周期性拍頻峰逐漸展寬并且峰的高度變小。當激光輸出功率達到5.71 W時，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不再像傳統激光那樣具有離散的縱模結構，而是產生類似于ASE光源的準連續光譜。
研究團隊利用廣義非線性薛定諤方程對拉曼光纖激光器中光場隨激光輸出功率的演變進行了模擬，得到RFL的射頻譜如圖2(b)所示。仿真結果顯示，周期性的拍頻峰隨著功率的增加逐漸消失，與實驗測量結果基本一致。
由于無模式的拉曼光纖激光器生成準連續的光譜，將其用于激光傳感系統，可以實現連續的調頻，從而顯著提高光學傳感器的分辨率。同時，RF譜上拍頻峰的消失意味著激光輻射不再有與諧振腔長對應的時域周期性，這在保密通信、隨機序列生成以及時域鬼成像領域具有巨大的應用潛力。同時，與傳統激光器相比，所搭建的無模式拉曼光纖激光器具有極低的相對強度噪聲。該研究工作得到了國家重點研發計劃(2018YFE0117400)、國家自然科學基金(62275093)和歐盟H2020 MSCA RISE項目的資助。
文章鏈接：https://doi.org/10.1364/OPTICA.488920
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