本文作者饒云江，電子科技大學信息與通信工程學院，光纖傳感與通信教育部重點實驗室，光纖光學研究中心，僅供交流學習之用，感謝分享！

引言

自從2010年分布反饋式光纖隨機激光器的概念提出以來，光纖隨機激光器(Random Fiber Laser， RFL) 得到了長足的發(fā)展，取得了系列研究成果，涵蓋光纖通信、傳感、成像等研究領(lǐng)域。光纖隨機激光器不同于常規(guī)光纖激光器，激射過程不依賴于傳統(tǒng)的諧振腔結(jié)構(gòu)，因而具有結(jié)構(gòu)更簡單、轉(zhuǎn)換效率更高、相位噪聲更低、穩(wěn)定性更好、可靠性更高、壽命更長、維護更簡單等突出優(yōu)點，有望形成新一代的光纖激光器，因此，開展光纖隨機激光技術(shù)的研究具有重要的科學意義與應用價值。

根據(jù)反饋類型分類，光纖隨機激光器可以主要分為基于瑞利散射分布反饋的光纖隨機激光器、填充型光纖隨機激光器和基于隨機光柵的光纖隨機激光器三大類別。根據(jù)增益類型分類，光纖隨機激光器則可以主要分為基于非線性增益( 如拉曼增益和布里淵增益) 的光纖隨機激光器基于稀土摻雜離子增益的光纖隨機激光器及基于混合增益的光纖隨機激光器。其中瑞利散射型和隨機光柵型光纖隨機激光器均為實心光纖中實現(xiàn)，其發(fā)展歷程也從最早的采用通信用標準單模光纖逐漸拓展到各種特種光纖，從早期的光譜特性、結(jié)構(gòu)探索的研究逐漸拓展到新機理、新現(xiàn)象的解釋，在發(fā)掘光纖隨機激光研究潛力的同時，也催生出了許多極具特色的研究方向。

本文首先回顧傳統(tǒng)隨機激光器的起源和發(fā)展歷程，然后介紹光纖隨機激光器早期的發(fā)展及分類，并著重基于瑞利散射反饋類型的光纖隨機激光器，綜述了近幾年發(fā)展最熱門的高功率/高效率光纖隨機激光器、窄線寬光纖隨機激光器、寬譜發(fā)射光纖隨機激光器和多模光纖隨機激光器等方向最新的研究進展，并介紹了光纖隨機激光器在分布式光纖傳感、光纖通信中的應用，最后對光纖隨機激光器的發(fā)展提出展望。

1、光纖隨機激光器的發(fā)展歷程

隨機激光現(xiàn)象涉及光與物質(zhì)相互作用、光子散射、光干涉和非線性光學等諸多領(lǐng)域的科學問題，其概念最早出現(xiàn)在 20 世紀 60 年代，由 BASOV N G 及其合作者提出。ANDERSON P W 等關(guān)于電子在無序介質(zhì)中安德森局域化現(xiàn)象的研究啟迪了人們對光子局域化機制的探索。之后，1994 年 LAWANDY N M 等在 Nature 上報道了第一個基于粉末強散射的隨機激光器，通過脈沖泵浦在TiO2微粒和羅丹明的膠體溶液中觀測到了激光輻射現(xiàn)象，這一發(fā)現(xiàn)激發(fā)了對隨機激光器的探索熱情，極大地推動了隨機激光的研究，多種形式的隨機激光器被相繼發(fā)現(xiàn)，如π-共軛聚合物、懸浮染料、隨機微腔結(jié)構(gòu)、摻雜染料向列液晶、生物組織等。此外，美國耶魯大學的CAO H 等基于環(huán)形腔理論很好地解釋了隨機激光的產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上，研究人員又提出了準態(tài)模型等理論，對隨機激光的產(chǎn)生機理、工作特性、模式特性等進行了深入研究，傳統(tǒng)激光器與隨機激光器結(jié)構(gòu)對比如圖1所示。2012年，CAO H 等論證了基于粉末的隨機激光具有較低的空間相干性， 是進行無散斑全場成像系統(tǒng)的理想的光源。盡管隨機激光器具有許多有趣的特性，但通常缺少方向性發(fā)射，激射閾值高需要高能脈沖泵浦，隨機結(jié)構(gòu)在微米乃至納米級因此產(chǎn)生的隨機激光能量極低，這些都限制了其實用化程度。

在隨機激光器的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出填充型光纖隨機激光器，這是最早提出的一維隨機激光器的實現(xiàn)形式。2007 年，MATOS 等利用在空芯光子晶體光纖內(nèi)填充羅丹明 6 G 溶液作為增益介質(zhì)，并在溶液中混入直徑為 250 nm 的 TiO2納米顆粒作為散射介質(zhì)來實現(xiàn)對隨機激光激射的定向輸出，在側(cè)向泵浦下得到非相干光纖隨機激光，其結(jié)構(gòu)圖如圖 2 ( a) 所示。2012 年，HU Z 等將多面體齊聚倍半硅氧烷( Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS) 納米顆粒與吡咯597( Pyrromethene 597，PM597) 激光染料混合注入空芯光纖內(nèi)，通過 纖芯泵浦的方式得到在弱散射系統(tǒng)中的相干型隨機激光，如圖2(b)所示。2016年，ZHANG W L 等將隨機包層概念引入到圓柱波導隨機激光研究中［26］，如圖 2( c) 所示，利用在包層中注入散射顆粒的方法，將光束縛在波導結(jié)構(gòu)中，同時纖芯的增益介質(zhì)控制輸出在光纖軸向，實現(xiàn)了隨機激光的較低閾值和具有一定方向性的激光發(fā)射，其輸出特性如圖 2( d) 所示。此外，基于光子晶體結(jié)構(gòu)的填充型光纖隨機激光器也得到了廣泛研究和關(guān)注。雖然填充型光纖隨機激光器可以實現(xiàn)方向性良好的隨機激光輸出，且其泵浦閾值較塊狀隨機激光器明顯降低，但其結(jié)構(gòu)實現(xiàn)依舊比較復雜，需要特種空芯光纖及合適的增益及散射介質(zhì)填充，而且由于腔體損耗較大，輸出激光效率很低，與商用光纖的光學系統(tǒng)兼容性差，限制了其實用化程度。

另一種常見的實現(xiàn)光纖隨機激光的反饋方式是利用光纖上隨機刻寫的光纖光柵( Fiber Bragg Grating， FBG) 陣列。這一類光纖隨機激光是由在普通單模光纖或有源增益光纖上寫入的一組隨機分布的弱反 FBG 構(gòu)成的。基于該激射機理的隨機光纖激光器最早提出于 2009 年，其實驗結(jié)構(gòu)如圖 3( a) 所示。在摻餌光纖中隨機間隔刻寫多個長度不同的 FBG，且陣列中任意兩個 FBG 間具有隨機相位差，隨機 FBG 反射光能得到光纖中的摻鉺增益，從而實現(xiàn)隨機激光激射。同理，也可以在無源光纖中隨機刻寫 FBG，利用光纖中的拉 曼增益實現(xiàn)基于隨機 FBG 陣列的拉曼光纖隨機激光器。該類光纖隨機激光器由于隨機反饋強度較高，因而具有低閾值、所需光纖長度短等特點，但該類激光器輸出效率和功率一般很低，且輸出多為相干隨機激光，存在較強的模式競爭，輸出激光光譜和強度較不穩(wěn)定，隨機分布光纖光柵陣列典型的反射譜如圖 3( b) 所示，可以看出具有隨機的諧振尖峰結(jié)構(gòu)，這一隨機反射特性導致了輸出光譜強烈的模式競爭及光譜不穩(wěn)定。為了穩(wěn)定該相干反饋光纖隨機激光器的輸出特性，可以通過注入控制光的方式引入局部增益微擾或引入局部溫度調(diào)控，有效穩(wěn)定輸出并通過改變控制位置調(diào)節(jié)激射波長。此外，由于該類型結(jié)構(gòu)具有豐富的隨機諧振頻率成分，因此有利于開展關(guān)于隨機模式鎖定的基礎(chǔ)研究，基于該類相干光纖隨機激光器可以實現(xiàn)準鎖模輸 出的脈沖光隨機激光，研究大量隨機諧振腔存在下的脈沖諧振頻率特性。

2010 年，英國學者 TURITSYN S 等在 Nature Photonics 上報道了一種全新的基于標準單模光纖的新型隨機激光器，光纖纖芯材料的不均勻性會導致其軸向折射率的隨機分布，進而產(chǎn)生瑞利散射并為隨機激光的產(chǎn)生提供光學反饋，同時，硅基光纖也可作為增益介質(zhì)，通過受激拉曼散射放大提供足夠增益，其工作原理如圖4所示。與傳統(tǒng)隨機激光介質(zhì)相比，單模光纖波導結(jié)構(gòu)可很好地限制光的徑向散射，并嚴格控制輸出光在光纖軸向上，所以這樣的光纖隨機激光器能實現(xiàn)很好的方向性和很高的輸出功率，從根本上克服傳統(tǒng)隨機激光器的缺陷。分布反饋式光纖隨機激光( Distributed Feedback Random Fiber Laser，DFB-RFL) 極為獨特的光學屬性為激光物理、非線性光學研究提供了新的平臺，并為其在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域的應用開辟了新的道路。

自從 DFB-RFL 概念被提出以來，研究人員在其實現(xiàn)方式、多波長、可調(diào)諧、多階激光產(chǎn)生以及混合增益機制下的隨機激光產(chǎn)生等方面做了進一步的探索，并取得了很好的研究進展。國際上，英國阿斯頓大學和俄羅斯新西伯利亞州立大學在隨機光纖激光的理論建模、特性分析、新的調(diào)諧研究等方面開展了深入廣泛的工作。西班牙和葡萄牙等國家的學者在隨機光纖激光器調(diào)制方式、多波長輸出、相對強度噪聲轉(zhuǎn)移以及噪聲特性分析等方面開展了系列研究，并探索了其在光信息領(lǐng)域的應用。加拿大渥太華大學利用被布里淵斯托克斯光誘發(fā)和放大的光纖隨機瑞利散射實現(xiàn)了 kHz 量級的窄線寬隨機激光輸出。國內(nèi)各高校團隊也開展了隨機光纖激光器的基礎(chǔ)研究。中國科技大學利用特殊溶液在空心光纖中實現(xiàn)了一種弱反饋機制下的相干隨機光纖激光器; 北京化工大學實現(xiàn)了一種波長在 1 115 nm 的隨機光纖激光器; 深圳大學利用20W摻鐿光纖激光器實現(xiàn)了一種四級級聯(lián)的拉曼光纖激光器; 中國計量大學在摻餌光纖隨機激光方向?qū)崿F(xiàn)了很低閾值的激射;國防科技大學在高功率光纖隨機激光器方面取得系列突破性進展，持續(xù)刷新光纖隨機激光器輸出功率的世界紀錄，獲得了千瓦級光纖隨機激光輸出，清華大學、中國科學院上海光學精密機械研究所也先后開展了大功率光纖隨機激光器的研究。

作者所在的電子科技大學光纖傳感與激光團隊為國內(nèi)最早開展全光纖隨機激光器研究的團隊。2012年，報道了基于FBG的半開放腔結(jié)構(gòu)的二階光纖隨機激光器和超長光纖環(huán)形腔結(jié)構(gòu)的光纖隨機激光器; 首次發(fā)現(xiàn)光纖隨機激光的溫度不敏感特性，并提出了光纖隨機激光點式傳感概念。2013年，首次提出基于光纖隨機激光的拉曼光放大概念，并將其應用于基于布里淵光時域分析儀( Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA) 的光纖分布式應變、溫度傳感系統(tǒng)中; 提出了單模光纖與其他特種光纖混合增益以實現(xiàn)優(yōu)化或特定波長的光纖隨機激光輸出。2014 年，發(fā)現(xiàn)點式反射鏡和短光纖構(gòu)成的半開腔 DFB- RFL 結(jié)構(gòu)是實現(xiàn)大功率輸出的有效途徑，從理論仿真和實驗驗證兩方面論證了該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高功率隨機激光輸出的可行性，為大功率 DFB-RFL 的設(shè)計提供了理論指導; 首次將基于光纖隨機激光的光放大技術(shù)與布里淵和拉曼光放大技術(shù)相結(jié)合，并應用于基于相位敏感型光時域反射儀( Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry，φ-OTDR) 的光纖振動分布式傳感系統(tǒng)中。2015年，提出了基于摻雜石墨烯偏振飽和吸收特性的強度調(diào)制器思路，實現(xiàn)了 DFB-RFL 的單偏振脈沖產(chǎn)生，調(diào)制的光脈沖寬度達到亞 ns 量級。2016 年， 充分利用輸出光功率與偏振態(tài)相關(guān)的特性，提出通過偏振調(diào)控產(chǎn)生脈沖型光纖隨機激光。2017年，采用摻鐿光纖與標準單模光纖混合的共腔光纖隨機激光結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了1115 nm 的摻鐿和受激拉曼混合增益的隨機激光，為產(chǎn)生高功率隨機激光提供了一個更簡單、低成本的方案。2018 年，系統(tǒng)研究了基于光纖隨機激光泵浦的超連續(xù)譜產(chǎn)生并開展了多模光纖隨機激光特性的研究。2019 年，研究了拉曼增益隨機光纖激光器光譜強度波動的統(tǒng)計特性。表 1 列舉了分布式反饋隨機光纖激光器的主要研究重點及團隊信息。

2 光纖隨機激光器研究進展

自2010年基于瑞利散射型光纖隨機激光概念提出以來，經(jīng)歷了前幾年各個研究方向雨后春筍般的蓬勃發(fā)展，光纖隨機激光的研究逐漸沉淀在少數(shù)幾個熱門領(lǐng)域，如高功率/高效率光纖隨機激光器、窄線寬光纖隨機激光器等。這些熱門研究方向的實現(xiàn)及指標提升充分利用光纖隨機激光器獨特的結(jié)構(gòu)特性，既深入挖掘了光纖隨機激光器的科學意義和發(fā)展?jié)撃?，又極大豐富了各自領(lǐng)域的研究形式，為各研究方向在特定性能、指標上的提升注入強大的動能，實現(xiàn)了諸多傳統(tǒng)技術(shù)路線無法企及的優(yōu)異特性，滿足特定應用的需求。此外，光纖隨機激光器的發(fā)展也逐漸由起初的簡單結(jié)構(gòu)，如基于單模光纖的研究，逐漸拓展到少模、多模研究領(lǐng)域，推動了如光纖型無散斑成像照明技術(shù)的發(fā)展。本節(jié)將逐點介紹近幾年光纖隨機激光器的熱門研究方向。

2.1 高功率/高效率光纖隨機激光器

相比于稀土摻雜光纖激光器，拉曼光纖激光器的激射波長由泵浦波長和光纖的拉曼頻移決定，可實現(xiàn)任意波長的激光輸出，是獲得特殊波長激光的最重要手段。此外，拉曼光纖激光器具有量子虧損小、自發(fā)背景噪聲低、無光子暗化等優(yōu)點，是實現(xiàn)高功率、高亮度激光的重要途徑之一。傳統(tǒng)的拉曼光纖激光器為了得到高功率的輸出，需要仔細優(yōu)化激光器腔體長度以及光纖兩端反射鏡的反射率和反射帶寬。DFB-RFL 由于不含有傳統(tǒng)光纖激光器的點式反饋器件( 如 FBG) ，因而結(jié)構(gòu)非常簡單，性能穩(wěn)定，具有十分重要的潛在應用價值。

通常，由于單模光纖后向瑞利散射系數(shù)相對較低，所以由較長單模光纖(＞40km) 構(gòu)成的 DFB-RFL 的激射效率明顯低于傳統(tǒng)的拉曼光纖激光器。因此，DFB-RFL 的一個重要研究方向就是提高其激射效率。2014年，研究人員在基于短腔高功率、高效率 RFL 的研究上取得重要突破，研究結(jié)果表明，通過采用由一段較短單模光纖和靠近泵浦輸入端的點式反射鏡構(gòu)成的半開腔結(jié)構(gòu)，在泵浦端點式反饋鏡和短光纖中的隨機分布瑞利散射的共同作用下，可以產(chǎn)生高效率、高功率的一階隨機激光，如圖 5( a) 所示。實驗中采用 10 W 的 1090 nm 泵浦和 1 km 標準單模光纖獲得了較高輸出功率( 7 W) 和較高光轉(zhuǎn)換效率( 70% ) 的隨機激光，如圖 5( b) 所示。

進一步理論計算表明，采用更短的光纖時，最大的光光轉(zhuǎn)化效率會更高，二階隨機激光的閾值也會更高( 圖 6) ，獲得的一階隨機激光的最大輸出功率會隨光纖長度的降低而迅速增大，如采用 100 m 光纖時，在 240 W泵浦作用下，有望得到 226 W 的一階隨機激光輸出，光光轉(zhuǎn)化效率為 94% ，逼近量子極限 95%。國防科技大學利用強泵浦，用摻鐿光纖激光器泵浦 120 m 長無源光纖和 FBG 構(gòu)成的半開腔 DFB-RFL，將隨機光纖激光功率輸出記錄提高到了 193． 5 W( 泵浦功率 221． 4 W) ，光光轉(zhuǎn)化效率約為 89% ，這一實驗結(jié)果與 2014 年電子科技大學的理論預測吻合得很好。俄羅斯課題組 VATNIK I D 等論證了在高于閾值時光纖隨機激光的光光轉(zhuǎn)換效率接近 100%。上述研究成果表明: 短腔 DFB-RFL 具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長等顯著優(yōu)點，可望實現(xiàn)比傳統(tǒng)拉曼光纖激光器更高的輸出效率和功率，從而為高功率光纖激光器的發(fā)展提供新的發(fā)展思路，被美國光學學會( Optical Society of America，OSA) 會刊 Optics ＆ Photonics News 評為 2014 年度全球 30 項重要光學進展之一: “Random fiber laser: Simpler and Brighter”( 圖 7) 。可以期待，高功 率隨機光纖激光器有望在激光加工、激光武器、光學成像、光學測量等領(lǐng)域獲得重要應用。

近年來，基于上述短腔高功率光纖隨機激光器實驗和理論的指導，各個研究團隊不斷推進高功率光纖隨機激光器的輸出功率和轉(zhuǎn)換效率。國防科技大學在高功率光纖隨機激光領(lǐng)域成果豐碩，2015年，采用主振蕩器功率放大器( Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA) 結(jié)構(gòu)放大基于光纖隨機激光器的種子光，獲得了千 瓦級的放大光纖隨機激光輸出，并發(fā)現(xiàn)了在放大過程中光譜帶寬不展寬的特性，對維持激光器高光譜密度具有重要意義，該特性得到了廣泛的研究和論證;2017 年，為了進一步提升輸出光功率，采用 20 /130 μm 的少模光纖實現(xiàn)了超過 400 W 的光纖隨機激光輸出，并保持遠場光斑的準高斯分布;首次提出采用高功率自發(fā)輻射( Amplified Spontaneous Emission，ASE) 光源作為泵浦激發(fā)光纖隨機激光的產(chǎn)生，在全保偏光纖中實現(xiàn)了百瓦級的線偏振光纖隨機激光，ASE泵浦對于獲得具有低噪聲特性的光纖隨機激光具有重要意義; 2019年，通過優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)，該團隊采用 90 m 的少模摻鍺光纖實現(xiàn)了近千瓦的光纖隨機激光輸出，為 目前單級光纖隨機激光器輸出功率的世界紀錄。其他團隊也相繼在該領(lǐng)域發(fā)力，2015 年，俄羅斯課題組 ZLOBINA E A 等采用全保偏光纖及器件實現(xiàn)了泵浦到一階斯托克斯光 87% 的光光轉(zhuǎn)換效率; 2019 年，中國科學院上海光學精密機械研究所采用光纖隨機激光作為種子源的 MOPA 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了0． 22 nm帶寬光纖隨機激光 1． 36 kW 最大輸出功率，并通過改變種子源結(jié)構(gòu)中無源光纖的長度，優(yōu)化放大后光譜帶寬。2019 年，清華大學采用同代泵浦在 MOPA 裝置中實現(xiàn)了 4 kW 的光纖隨機激光輸出，3 dB 帶寬從 6． 88 W 種子光的 0． 783 nm 經(jīng)過放大到最大功率只展寬到 0． 99 nm。表 2 匯總了高功率 DFB-RFL 發(fā)展過程中代表性的研究進展。

2.2 窄線寬光纖隨機激光器

窄線寬光纖隨機激光器是光纖隨機激光器研究領(lǐng)域另一個有特色的方向。眾所周知，窄線寬光源在傳感系統(tǒng)里面具有重要地位，對傳感性能的提升具有重要意義，一直以來都是傳統(tǒng)激光器的熱門方向，而基于光纖隨機激光的窄線寬激光器，由于具有結(jié)構(gòu)簡單、低噪聲、超窄線寬等優(yōu)勢，近年來得到了廣泛的研究與關(guān)注。通常來講，根據(jù)實現(xiàn)形式的不同，窄線寬光纖隨機激光器主要包含兩種線寬壓縮機制: 1) 利用光纖隨機激光開放腔結(jié)構(gòu)，通過引入窄帶濾波器，對激射波長、帶寬進行選擇和調(diào)控; 2) 利用分布式瑞利散射，或隨機光柵結(jié)構(gòu)對隨機激射光進行線寬壓縮，并可以實現(xiàn)低噪聲、穩(wěn)定的發(fā)射。

對于第一種窄線寬光纖隨機激光器實現(xiàn)形式，2013 年，SUGAVANAM S 等提出在全開放光纖隨機激光器中引入窄帶 FBG 實現(xiàn)了 0． 05 nm 的激射帶寬，進而引入光纖法布里-珀羅腔( Fiber Fabry-Perot，F(xiàn)FP) ，實現(xiàn)了多波長的窄帶寬激射，結(jié)構(gòu)如圖8( a) 所示。2015年，LEANDROD等通過采用帶寬更窄的相移光 纖光柵( Phase Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG) ，實現(xiàn)了 3． 2 pm 的激射帶寬，裝置如圖 8( b) 所示，并通過 引入多個不同中心波長的 PS-FBG 實現(xiàn)窄線寬多波長激射。這一類型窄線寬光纖隨機激光器的研究充分利用了光纖隨機激光器的開放結(jié)構(gòu)，易于通過引入點式的選擇器件對隨機激射特性進行調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)的優(yōu)勢。其激射帶寬完全取決于濾波器件，并通過對濾波器件中心波長的調(diào)節(jié)實現(xiàn)激射波長的調(diào)諧。然而，相比傳統(tǒng)單模窄線寬激光器，其帶寬仍然較高。

采用隨機反饋壓縮線寬的方式可以實現(xiàn)具有極窄線寬的光纖隨機激光，該方向的研究以加拿大渥太華大學 BAO X 課題組的工作最具代表性。2013 年，其團隊 PANG M 等在布里淵光纖隨機激光器結(jié)構(gòu)中，發(fā)現(xiàn)分布式瑞利散射具有對激射線寬顯著的壓窄效應，并觀察到 10 Hz 級的隨機尖峰結(jié)構(gòu)，該類型線寬壓縮典型的裝置及原理示意圖如圖 9 所示。

2014 年，利用飛秒激光器在光纖中刻寫的隨機光柵結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了具有低噪聲的約 2.1 kHz 的窄線寬隨機激射，為隨機激射線寬壓窄提供了新技術(shù)路線。在這兩種實施方案的指導下，該團隊對窄線寬光纖隨機激光器進行了系統(tǒng)的論證和研究。2016 年，采用瑞利增強型的錐形光纖提供分布式散射，實現(xiàn)了具有低相對強度噪聲的 1． 17 kHz 窄線寬光纖隨機激光。2017 年，在全保偏光纖結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了轉(zhuǎn)換效率 25% 的高效率布里淵光纖隨機激光器，其激射線寬小于 1 kHz 且保持低噪聲的特點。2018 年，通過將產(chǎn)生的窄線寬布里淵激射重新注入激光器結(jié)構(gòu)中作為泵浦，實現(xiàn)了多階布里淵激射的多波 長窄線寬激光器，每一階激光線寬約為 1 kHz，且不同波長之間的功率差波動小于 1． 8 dB。采用類似的結(jié)構(gòu)，結(jié)合隨機光柵提供隨機反饋，同樣實現(xiàn)了多波長窄線寬的隨機激射，相比于隨機瑞利散射，隨機光柵降低了激射閾值，支持更多階波長激射。國內(nèi)重慶大學 ZHU T 團隊也對瑞利散射壓窄線寬進行了相關(guān)研究，包括采用在摻鉺光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)中采用瑞利壓窄實現(xiàn)雙波長、可調(diào)諧的窄線寬激光，每個波長的線寬約為700 Hz。武漢理工大學采用全光柵光纖實現(xiàn)了 1． 25 kHz、光信噪比為 75 dB 的超窄線寬光纖隨機激光器。北京交通大學研究了瑞利增強光纖用于實現(xiàn)單模窄線寬隨機激光器，得到了線寬約 3． 5 kHz、對比度近 50 dB 的單模激光輸出。

2.3 寬譜發(fā)射光纖隨機激光器

光纖隨機激光器結(jié)構(gòu)最大的特點是開放腔，不受限于諧振結(jié)構(gòu)及波長選擇器件，因而適用于寬譜發(fā)射、多階級聯(lián)、寬譜可調(diào)諧激光器的研究，近年來這一領(lǐng)域也涌現(xiàn)出一系列優(yōu)秀成果。2016 年，俄羅斯 BABIN S A 等在全保偏光纖結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了三階拉曼隨機激光，每一階激光波長保持相對窄帶寬的同時，都達到了約 80% 的轉(zhuǎn)換效率。中國計量大學 DONG X 團隊在半開放結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了多波長、可調(diào)諧光纖隨機激光器輸出。中國科學院上海光學精密機械研究所 FENG Y 團隊在寬譜可調(diào)諧隨機激光發(fā)射方面進行了出色的研究，2016 年，采用可調(diào)諧的摻鐿激光器泵浦源以及配合高階拉曼激射，實現(xiàn)了 1 070 ～ 1 370 nm 的寬譜可調(diào)諧發(fā)射。2017 年，為了進一步拓寬發(fā)射范圍，他們采用具有更長波長色散零點的拉曼光纖，實現(xiàn)了從 1 ～ 1． 9 μm的超寬譜隨機激光可調(diào)諧發(fā)射，其實驗結(jié)構(gòu)及發(fā)射光譜如圖 10 所示。2018 年，該團隊在產(chǎn)生高階 拉曼隨機激光的同時，獲得了第九階隨機激光約 115 W 的高功率輸出，驗證了該結(jié)構(gòu)可以同時實現(xiàn)寬譜可 調(diào)諧和高功率輸出的特性。南京郵電大學研究了多倍布里淵頻移的多波長布里淵摻鉺光纖激光器，輸出 波長可以在 60 nm 范圍內(nèi)調(diào)諧。

此外，為了充分利用開放結(jié)構(gòu)寬譜反饋的特性，通過引入非線性光纖，電子科技大學 MA R 等實現(xiàn)了光纖隨機激光全開放結(jié)構(gòu)中的超連續(xù)譜產(chǎn)生，光纖隨機激光作為橋梁，將正常色散區(qū)的泵浦源通過產(chǎn)生的隨機激光激發(fā)超連續(xù)譜產(chǎn)生，在全開放結(jié)構(gòu)中獲得了 10 dB 帶寬、172 nm 的寬譜發(fā)射，在半開放及全開放結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)的光纖隨機激光泵浦的超連續(xù)譜如圖 11 所示。后續(xù)研究中，在后向散射增強的光纖結(jié)構(gòu)中首次發(fā)現(xiàn)后向超連續(xù)譜產(chǎn)生，該后向超連續(xù)譜具有相對強度噪聲低的特點，為寬譜低噪聲光源的研制提供了新思路。2019 年，國防科技大學 CHEN L 等基于光纖隨機激光泵浦在 1 km 無源雙包層單模光纖中實現(xiàn)了 20 dB帶寬、高達 500 nm 的超連續(xù)譜，論證了光纖隨機激光可以成為一種新穎、簡單、低成本、低相干、具有魯 棒性的近紅外超連續(xù)譜生成方法。

2. 4 多模隨機光纖激光器無散斑成像研究

光纖隨機激光器的研究主要集中在單模光纖結(jié)構(gòu)中，這是因為在單模光纖結(jié)構(gòu)中具有較高的非線性效應，因此激射閾值相對較低，容易在開放結(jié)構(gòu)的光纖隨機激光器中實現(xiàn)隨機激射。光纖隨機激光器的不斷發(fā)展，逐漸衍生出基于少模、多模光纖隨機激光的研究。在 2013 年，俄羅斯的 BABIN S A 團隊通過高功率激光二極管( Laser Diode，LD) 直接泵浦漸變折射率多模光纖( Graded Refractive Index，GRIN，62． 6 /125μm) 組成 的開放結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了多模光纖中的隨機激光激射，其閾值也高達 40 W，閾值之上的隨機激光具有類似傳統(tǒng) GRIN 光纖中拉曼自凈化帶來的光束質(zhì)量提升。2015 年，國防科學技術(shù)大學 DU X 等通過結(jié)合基于單模光纖的隨機激光器結(jié)構(gòu)與少模光纖光柵( Few Mode Fiber Bragg Grating，F(xiàn)M-FBG) ，實現(xiàn)了輸出激光空間模式的可調(diào)。2019 年，英國阿斯頓大學 ZULKIFLI M Z 等基于 17 km 少模光纖實現(xiàn)了少模光纖隨機激光激射。傳統(tǒng)隨機激光器由于具有低空間相干性而適合用于無散斑成像照明系統(tǒng)，本文作者所在團隊充分發(fā) 揮光纖隨機激光器方向性好、平均功率高、結(jié)構(gòu)簡單、泵浦要求低等優(yōu)勢，開展了基于大芯徑階躍多模光纖隨機激光空間相干性的研究。2018 年，該團隊系統(tǒng)對比了單模、多模光纖隨機激光器以及寬譜 ASE 光源、傳統(tǒng) 窄線寬激光器( Narrow Linewidth Laser，NLL) 在照明成像系統(tǒng)中的散斑特性，不同機制下的散斑對比度如圖 12( a) 所示，成像效果如圖 12( b) 所示，論證了多模光纖隨機激光不僅具有與傳統(tǒng)多模非相干光可比擬的低空間相干性，同時得益于激光激射過程具有高光譜密度的優(yōu)勢，對于透過強散射介質(zhì)進行成像具有重要意義。為了滿足光學相干斷層掃描( Optical Coherence Tomography，OCT) 等系統(tǒng)關(guān)于寬譜光源的需求，課題組還開展了光纖超連譜在多模光纖中退相干特性的研究，揭示了光譜帶寬、光纖芯徑及多模光纖長度對空 間相干性及散斑特性的影響。2019 年，基于 MOPA 結(jié)構(gòu)的高功率光纖隨機激光器，研究了高功率多模光纖隨機激光的散斑特性，結(jié)果表明激光器的功率對于散斑對比度的降低也有重要貢獻，功率的增加能激發(fā)多模光纖中更多的有效模式，模式數(shù)的增加能有效降低光束的空間相干性。

多模隨機光纖激光器的研究目前尚屬于起步階段，其諸多特性仍有待深入發(fā)掘完善。例如，空間相干性可調(diào)多模隨機光纖激光器有較好的研究前景，以滿足不同應用對空間相干性靈活的需求，如自由空間光通信、鬼成像等領(lǐng)域。其次，針對多模隨機光纖激光與實際成像系統(tǒng)的結(jié)合，對生物成像的影響等，根據(jù)特定成像系統(tǒng)對光源的要求對隨機激光結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等仍有大量工作值得開展論證。除了將其利用到無散斑成像等應用領(lǐng)域，多模隨機光纖激光本身的激光特性，特別是在多模光纖中直接產(chǎn)生多模激射、相關(guān)的非線性效應、模式穩(wěn)定性、多模激射熱管理效應等都需進一步研究。

3 光纖隨機激光器應用進展

光纖隨機激光器因其獨特的結(jié)構(gòu)、低噪聲輸出特性等，在分布式光纖傳感、光通信等應用領(lǐng)域得到了重要的應用，本節(jié)將重點介紹光纖隨機激光在光纖分布式傳感、超長距離點式傳感及長距離光通信中的應用。

3.1 光纖隨機激光器在分布式傳感中的應用

相對于分立式的光纖放大技術(shù)，分布式拉曼放大(Distributed Raman Amplification，DRA) 技術(shù)在噪聲指數(shù)、非線性損傷、增益帶寬等諸多方面展現(xiàn)出明顯優(yōu)勢，在光纖通信與傳感領(lǐng)域得到了廣泛應用。高階 DRA 可使增益深入鏈路內(nèi)部以實現(xiàn)準無損光傳輸( 即光信噪比與非線性損傷的最佳平衡) ，顯著改善光纖傳輸/傳感全程均衡性。與常規(guī)高階 DRA 相比，基于超長光纖激光器的 DRA 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且具有增益鉗制作用，展示出很強的應用潛力。但是，該放大方法尚面臨泵浦-探測相對強度噪聲轉(zhuǎn)移、光信噪比有待提升等制約其應用于長距離光纖傳輸/傳感的瓶頸問題。

2013 年，基于高階 DFB-RFL 泵浦的 DRA 新概念被提出并得到實驗驗證。由于 DFB-RFL 獨有的半開 放腔結(jié)構(gòu)，其反饋機制僅僅依賴于光纖中隨機分布的瑞利散射，產(chǎn)生的高階隨機激光的光譜結(jié)構(gòu)、輸出功率均展現(xiàn)出優(yōu)異的溫度不敏感特性，所以高階 DFB-RFL 能形成一個非常穩(wěn)定的低噪聲全分布式泵浦源。圖 13( a) 所 示實驗驗證了基于高階 DFB-RFL 的分布式拉曼放大概念，圖 13( b) 為不同泵浦功率下，透明傳輸狀態(tài)下的增益分布情況。比較可知，雙向二階泵浦最佳，其增益平坦度為 2． 5 dB，后向二階隨機激光泵浦次之( 3． 8 dB) ，而前向隨機激光泵浦與一階雙向泵浦接近，分別為 5． 5 dB 及 4． 9 dB，后向 DFB-RFL 泵浦的表現(xiàn)為較低的平均增益和增益波動。同時，該實驗中前向 DFB-RFL 泵浦在透明傳輸窗口的有效噪聲系數(shù)比雙向一階泵浦的低 2． 3 dB， 比雙向二階泵浦低 1． 3 dB。該方案相比于常規(guī) DRA 在抑制相對強度噪聲轉(zhuǎn)移、實現(xiàn)全程均衡傳輸/傳感等方面綜合優(yōu)勢明顯，且隨機激光對溫度不敏感，穩(wěn)定性好，因此，基于高階 DFB-RFL 的 DRA 可為長距離光纖傳輸/傳感提供低噪聲、穩(wěn)定的分布式均衡放大，具有實現(xiàn)超長距離無中繼傳輸與傳感的潛力。

分布式光纖傳感( Distributed Fiber Sensing，DFS) 作為光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域的重要分支，具有以下突出優(yōu)勢: 光纖本身就是傳感器，集傳感與傳輸于一體; 可連續(xù)感知光纖路徑上各點的溫度、應變等物理參量的空間分布和變化信息; 一根光纖能獲得多達數(shù)十萬點的傳感信息，可構(gòu)成目前距離最長、容量最大的傳感網(wǎng)絡(luò)。DFS 技術(shù)在輸電線纜、油氣管道、高速鐵路、橋梁隧道等關(guān)系國計民生的重大設(shè)施安全監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。但是要實現(xiàn)長距離、高空間分辨率與測量精度的DFS，尚面臨光纖損耗所致的大范圍低精度區(qū)域、非線性所致的譜展寬、非局域化所致的系統(tǒng)誤差等挑戰(zhàn)。

基于高階 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)具有增益平坦、噪聲較低、穩(wěn)定性好等獨特性質(zhì)，可在 DFS 應用中扮演重要的角色。首先，其被應用于 BOTDA，用于測量施加在光纖上的溫度或應變。實驗裝置如圖 14( a) 所 示，這里采用了二階隨機激光與一階低噪聲 LD 的混合泵浦方式。實驗結(jié)果表明，長達 154． 4 km 的 BOTDA系統(tǒng)具有5 m 的空間分辨率和 ± 1． 4 ℃的溫度精度，如圖14( b) 、( c) 所示。此外，高階 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù) 被應用于提升用于探測振動/擾動的相位敏感型光時域反射儀( Φ-OTDR) 的傳感距離，創(chuàng)紀錄的 175 km 傳 感距離中實現(xiàn)了 25 m 的空間分辨率。2019 年，通過前向二階 RFLA 和后向三階光纖隨機激光放大的混合，F(xiàn)U Y 等將無中繼器 BOTDA 的感應范圍擴展到 175 km，據(jù)我們所知，該系統(tǒng)已經(jīng)是迄今為止報道的無中 繼器 BOTDA 的最長距離和最高品質(zhì)因數(shù)( Figure of Merit，F(xiàn)oM) 。這是三階光纖隨機激光放大首次應用于分布式光纖傳感系統(tǒng)． 該系統(tǒng)的實現(xiàn)證實，高階光纖隨機激光放大可以提供高且平坦的增益分布，并具有可容 忍的噪聲水平。

3. 2 光纖隨機激光器在超長距離點式傳感中的應用

基于拉曼增益的隨機分布反饋式光纖激光，其輸出光譜已經(jīng)被證實在不同的環(huán)境條件下較寬且穩(wěn)定，而半開腔 DFB-RFL 的激射光譜位置和帶寬與所添加的點式反饋器件的光譜高度相關(guān) 。如果點式反射鏡( 如 FBG) 的光譜特性隨外界環(huán)境變化，則光纖隨機激光器的激射光譜也會發(fā)生變化?；诖嗽?，光纖隨機激光器可以用于實現(xiàn)超長距離點式傳感功能。

在 2012 年報道的研究工作中，通過一個 DFB-RFL 光源和 FBG 反射，可以在 100 km 長光纖中產(chǎn)生隨機激光。通過不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以分別實現(xiàn)一階和二階激光輸出，如圖 15( a) 所示。對于一階結(jié)構(gòu)，泵浦源是 1 365 nm 激光器，與一階斯托克斯光波長( 1 455 nm) 匹配的 FBG 傳感器放在光纖另外一端。二階結(jié)構(gòu)包含一個 1 455 nm 點式 FBG 反射鏡，反射鏡放在泵浦端使之更容易產(chǎn)生激射，而 1 560 nm FBG 傳感器放置在光纖遠端。產(chǎn)生的激射光在泵浦端輸出，通過測量出射光的波長變化量就可以實現(xiàn)溫度傳感。激射波長隨 FBG 溫度變化的典型關(guān)系如圖 15( b) 所示。

該方案在實際應用方面極具吸引力的原因是: 首先，傳感元件是純無源器件，而且可做到離解調(diào)儀很遠 ( 超過 100 km) ，這一點在許多超長距離應用環(huán)境( 如電力線路、油氣管道、高鐵軌道等的安全監(jiān)測) 是必須要具備的; 另外，待測信息體現(xiàn)在波長域，它只由 FBG 傳感器的中心波長決定，使得系統(tǒng)在泵浦源功率或光 纖損耗變化時也可穩(wěn)定傳感; 最后，一階、二階激射光譜的信噪比分別高達 20 dB、35 dB，表明該系統(tǒng)可傳感的極限距離遠超過100 km。因此，良好的熱穩(wěn)定性和超長距離傳感使 DFB-RFL 成為高性能的光纖傳感系統(tǒng)。

利用類似于上述方法的 200 km 點式傳感系統(tǒng)也已經(jīng)實現(xiàn)，如圖 16 所示。研究結(jié)果表明，由于該系統(tǒng)傳感距離較長，反射回的傳感信號在最好情況下的信噪比為 17 dB，較差情況下為 10 dB，溫度靈敏度為 11． 3 pm /℃ ． 該系統(tǒng)可實現(xiàn)多波長測量，為同時測量 11 個點的溫度信息提供了可能。而且這個數(shù)字還可增加，如文獻中提到的，一個基于 22 個 FBG 的光纖隨機激光器能夠在 22 個不同波長上工作。但方案需要一對等長的光纖，對光纖資源的需求相比前述方法增加了一倍。

2016年，借鑒于光纖通信中的光學遙泵技術(shù)( Remote Optical Pumping Amplifier，ROPA) ，利用有源光纖中有源增益和單模光纖中拉曼增益的混合增益，全面理論分析并通過實驗驗證實現(xiàn)了一種基于有源光纖的1． 5 μm 波段的長距離 RFL，如圖 17( a) 所示。另外該隨機激光系統(tǒng)在長距離點式傳感中也有良好的表現(xiàn)。以點式溫度傳感為例，該結(jié)構(gòu)的隨機激光輸出端的峰值波長與加在FBG上的溫度呈線性變化關(guān)系，并且該傳感系統(tǒng)具有波分復用功能，如圖 17( b) 和( c) 所示。特別要指出的是，相比于之前的結(jié)構(gòu)，該方案具有更低的閾值和更高的信噪比。

在未來的研究中，通過不同泵浦方式和反射鏡的設(shè)計，有望實現(xiàn)性能更為優(yōu)越的超長距離光纖隨機激光器點式傳感系統(tǒng)。

3.3 光纖隨機激光器在光纖通信中的應用

超長距離無中繼光傳輸一直是光纖通信領(lǐng)域的研究熱點，新型光放大技術(shù)的探索是進一步延伸無中繼光傳輸距離的關(guān)鍵科學問題?；?DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)為長距離無中繼光傳輸提供了一種新的光放大方法。2015 年，ROSA P 等研究了基于 DFB-RFL 的 DRA 應用于波分復用( Wavelength Division Multiplexing， WDM) 傳輸系統(tǒng)中的特性。圖 18 為該放大方案的結(jié)構(gòu)示意圖，采用 1 365 nm 雙端泵浦結(jié)構(gòu)，僅在信號接收端加一個 1 455 nm 的 FBG，從而使得激射的 1 455 nm 隨機激光主要能量分布方向和信號光傳輸方向相 反，這樣可有效減小隨機激光拉曼泵浦光轉(zhuǎn)移到信號光的相對強度噪聲。另一方面，采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)，使得 信號光沿光纖的功率分布相對平坦很多( 圖 18) ，從而提高系統(tǒng)的信噪比． 對 25 GHz 信道間隔的 100 信道、 50 km 長的 WDM 光傳輸系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明( 圖 19) ，采用該放大方案時，各信道間的最大的信噪比差僅為 0． 5 dB，該放大方案在 DWDM 系統(tǒng)中具有優(yōu)異的表現(xiàn)。

2016 年，TAN M 等將圖 18 所示的基于 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)應用于 10 × 116 Gb /s DP-QPSK WDM 中，并比較了該方案與基于傳統(tǒng)拉曼激光器( 光纖兩端均放置 1 455 nm FBG) 的 DRA 方案以及傳統(tǒng)二階拉曼放大方案( 光纖一端同時注入 1 365 nm 和 1 455 nm 泵浦) 的傳輸性能。結(jié)果表明，采用 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)能獲得最長的傳輸距離，達到 7 915 km。圖 20 為采用 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)，信號光傳輸7 915 km 后的光學信噪比( Optical Signal to Noise Ratio，OSNR) 和光譜圖，可以看出各信道間的 OSNR 波動較小，且均 在 Q 值閾值之上。以上實驗結(jié)果均表明，基于 DFB-RFL 的 DRA 技術(shù)在超長距離無中繼光傳輸中具有較大的潛力和優(yōu)勢。

4 結(jié)論

光纖隨機激光器經(jīng)歷了近十年的高速發(fā)展，研究領(lǐng)域涵蓋了傳統(tǒng)光纖激光器的主流方向，并在高功率/ 高效率、窄線寬、寬譜發(fā)射、分布式光放大、長距離光纖傳感與通信等領(lǐng)域取得了突破性的進展，帶動了相關(guān)領(lǐng)域核心技術(shù)指標的顯著提升，同時也為光纖隨機激光器領(lǐng)域的發(fā)展注入了持久的動力。

回顧過去幾年光纖隨機激光器整體的發(fā)展歷程，其研究已經(jīng)從簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)、激射特性的研究，逐漸轉(zhuǎn)向更深層次的探索，如從傳統(tǒng)商用單模光纖為主的結(jié)構(gòu)開始向基于少模、多模光纖以及特種新型光纖結(jié)構(gòu)的拓展; 在光纖隨機激光模式特性及新機理研究方面，從早期基于受激拉曼散射、受激布里淵散射的研究，逐漸拓展到調(diào)制不穩(wěn)定、二次諧波產(chǎn)生等非線性光學效應的研究; 進一步，關(guān)注的激射波長也從早期的近紅外通信波段為主，逐漸涵蓋可見光到中紅外的寬波段發(fā)射。

盡管如此，光纖隨機激光器的研究仍有大量值得繼續(xù)深入探討的科學技術(shù)問題。目前針對少模、多模機制下的光纖隨機激光器研究尚屬于起步階段，隨機激射在該領(lǐng)域的新特性仍有待挖掘; 光纖隨機激光器的研究主要集中在連續(xù)光機制下，對于其在脈沖產(chǎn)生、模式鎖定、孤子特性等超快領(lǐng)域的研究仍比較匱乏，光纖隨機激光器寬譜發(fā)射、寬帶反饋的特性與超窄脈沖產(chǎn)生之間的聯(lián)系仍有待揭示和發(fā)展; 光纖隨機激光器在中紅外領(lǐng)域的發(fā)展仍相對很少，由于隨機激射不受限于波長選擇器件，極有利于新波段激光器的研制，且開放腔結(jié)構(gòu)高功率/高效率激射的特性，對于發(fā)展高功率中紅外激光器具有重要借鑒意義; 此外，光纖隨機激光在超長距離傳感、分布式放大、無散斑成像等應用領(lǐng)域仍具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬啊?/p>