高功率單頻可見激光在天文探測(cè)、量子信息技術(shù)、激光遙感、原子物理等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，一直是激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。光纖激光器特別是拉曼光纖激光器，具有波長(zhǎng)靈活、輸出功率高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。近紅外光纖激光器的單通和頻或倍頻為可見激光的產(chǎn)生提供了一種緊湊、可靠的解決方案。單頻可見激光的功率通常受限于相應(yīng)的基頻光功率。然而，光纖激光器纖芯截面小、相互作用距離長(zhǎng)，易產(chǎn)生各種非線性效應(yīng)，尤其是受激布里淵散射（SBS）嚴(yán)重限制了單頻光纖激光的輸出功率，這也是單頻可見激光功率無(wú)法進(jìn)一步提升的主要原因。對(duì)于拉曼光纖激光器，其增益與泵浦功率相關(guān)，要實(shí)現(xiàn)特殊波長(zhǎng)應(yīng)用的功率需求，在高功率泵浦條件下依然需要較長(zhǎng)的拉曼光纖，這將導(dǎo)致SBS閾值進(jìn)一步減小，難以實(shí)現(xiàn)高功率單頻拉曼激光。目前，已有多種方法用于抑制光纖激光放大過程中的SBS，如對(duì)增益光纖施加梯度溫度或縱向應(yīng)力梯度、設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu)的增益光纖、使用大芯徑小數(shù)值孔徑的增益光纖、高摻雜增益光纖等。其中，相位調(diào)制是抑制SBS最典型的方法，是目前獲得千瓦量級(jí)高功率光纖激光最有效的技術(shù)，具有簡(jiǎn)單、靈活的優(yōu)點(diǎn)，通過展寬單頻激光線寬，降低激光功率譜密度以抑制SBS，在光纖激光器中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過3 kW近衍射極限的單模保偏激光輸出。值得注意的是，相位調(diào)制后的激光通過倍頻等過程，僅管可以實(shí)現(xiàn)千瓦功率的可見激光運(yùn)轉(zhuǎn)，但獲得的可見激光光譜展寬，不再是單頻激光，無(wú)法滿足單頻激光應(yīng)用需求，這是相位調(diào)制激光通過頻率變換產(chǎn)生高功率單頻可見激光所面臨的困難。1988年Strickland和Mourou提出的啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA），已廣泛應(yīng)用于解決放大器中的非線性光學(xué)損傷問題，使脈沖激光能量得到巨大飛躍，是實(shí)現(xiàn)大能量脈沖激光輸出的典型方法。然而，在高功率連續(xù)單頻激光領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)連續(xù)激光光譜壓縮的方案十分有限，且均存在輸出功率低等一系列問題。因此，通過光纖激光非線性頻率變換過程，實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)靈活的高功率單頻可見激光，所面臨的光譜展寬問題亟待解決。

近日，國(guó)科大杭州高等研究院物理與光電工程學(xué)院陳衛(wèi)標(biāo)教授工作室曾鑫博士，及中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所馮衍研究員團(tuán)隊(duì)，為解決相位調(diào)制激光在非線性頻率變換過程中所面臨的光譜展寬問題，提出了相位求和的連續(xù)激光光譜壓縮技術(shù)，并通過理論仿真與實(shí)驗(yàn)研究獲得證實(shí)。實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)激光有效的光譜壓縮，并獲得高光譜純度的單頻可見激光。該方法在基于拉曼光纖放大器的激光系統(tǒng)中開展實(shí)驗(yàn)，對(duì)兩個(gè)用于拉曼放大的單頻激光種子通過相位調(diào)制進(jìn)行光譜展寬，以抑制光纖拉曼放大器中的SBS，獲得高功率激光輸出，并進(jìn)一步在周期性極化的化學(xué)計(jì)量比鉭酸鋰晶體（PPSLT）中進(jìn)行單通和頻。當(dāng)兩個(gè)單頻激光種子的相位調(diào)制信號(hào)具有相同的頻率，還具有產(chǎn)生相同調(diào)制深度的幅值，但信號(hào)間相位相反時(shí)，和頻產(chǎn)生的上變頻激光恢復(fù)為單頻，最終實(shí)現(xiàn)了17.3W的高光譜純度的單頻590 nm激光，倍頻效率高達(dá)39.3%。在不考慮單頻可見激光輸出時(shí)，實(shí)現(xiàn)了21.4 W窄線寬激光運(yùn)轉(zhuǎn)，倍頻效率43.3%。該方案的提出突顯出相位變換在精密激光技術(shù)混頻過程中的重要性。

成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第11期的文章

相位求和的連續(xù)激光光譜壓縮技術(shù)，利用和頻過程中的相位求和效應(yīng)，避免了單頻激光功率放大過程中的非線性限制，通過對(duì)連續(xù)激光進(jìn)行非線性光譜壓縮，在基于正弦相位調(diào)制激光拉曼光纖放大的和頻系統(tǒng)中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)生了20 W級(jí)的高光譜純度單頻590nm激光。該技術(shù)通過特定的相位調(diào)制方式，一方面能夠展寬單頻激光光譜，抑制拉曼光纖激光放大過程中的SBS，實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出；另一方面根據(jù)和頻過程中激光相位求和效應(yīng)，對(duì)相位調(diào)制的高功率拉曼激光光譜進(jìn)行壓縮，獲得高功率單頻可見激光。這種用于高功率單頻激光產(chǎn)生方法類似于CPA，但區(qū)別在于該方法針對(duì)連續(xù)激光光譜進(jìn)行展寬、放大以及壓縮。該方法在產(chǎn)生用于高精度應(yīng)用的高功率、高光譜質(zhì)量的單頻可見光或紫外激光器方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)；同時(shí)也進(jìn)一步為類似的相位變換方法在差頻（相位相減）、四波混頻（相位相加和相減）等非線性混頻過程實(shí)現(xiàn)光譜壓縮提供了有力支撐，突顯該類相位變換方法在非線性光學(xué)和高功率激光技術(shù)中的巨大優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

國(guó)科大杭高院物理與光電工程學(xué)院博士后曾鑫為本論文的第一作者，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所馮衍研究員為本論文的通訊作者。該項(xiàng)目獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金支持。