随机光纤激光器由于结构简单、时域稳定、以及低相干等特点，在通信、成像、传感等领域有着广泛的应用前景。超连续谱激光因其光谱范围宽、亮度高等特点在密集波分复用、光学相干层析成像、高光谱激光雷达、以及脉冲压缩等领域具有巨大的应用价值。因此把随机光纤激光技术和超连续谱技术相结合可以极大简化超连续谱激光的系统结构，降低系统成本。

国防科技大学前沿交叉学科学院侯静研究员课题组近年来对随机光纤激光器输出超连续谱开展研究，在改善超连续谱的光谱带宽和平坦度、超连续谱的线偏振输出等方面取得了系列研究成果。相关研究内容发表在Optics Express上。

随机光纤激光器输出可见光至近红外超连续谱

目前，常规的产生可见光至近红外波段超连续谱的方案主要有两种：一种是利用脉冲光纤激光泵浦光子晶体光纤，另外一种则是利用非线性光纤放大器来获得超连续谱输出。2019年，课题组实现了一种共腔结构的随机光纤激光器来获得超连续谱输出，实验结构如图1所示。结构中使用宽带的光纤反射镜来提供反馈，腔内使用掺镱光纤和1 km长的被动光纤，利用掺镱光纤和受激拉曼散射的混合增益，基于随机光纤激光器结构首次实现了覆盖可见光至近红外波段的超连续谱输出，输出光谱如图2所示。

图1 随机光纤激光器输出超连续谱的实验结构图

图2 泵浦功率分别为4.3 W和44.7 W时产生超连续谱的光谱对比

全保偏结构的随机光纤激光器输出超连续谱

线偏振超连续谱激光在生物医学检测和目标探测与识别等领域中具有重要应用前景。为了获得线偏振超连续谱输出，课题组首次基于全保偏结构的随机光纤激光器，获得了平均输出功率为4.43 W、光谱范围覆盖600 nm~1900 nm线偏振超连续谱输出，在最高输出功率水平下的偏振消光比(PER)大于18 dB，相应的实验结构如图3所示。

课题组又对比了线偏振随机光纤激光器结构中使用100 m长的PM-GDF和非线偏振随机激光器结构中使用1000 m长的GDF输出超连续谱的光谱特性，图4为相应的光谱对比结果。对比发现，虽然线偏振随机光纤激光器结构中使用了较短的光纤长度，却表现出更优异的光谱特性。该项研究对于简化随机激光器的结构，改善超连续谱的输出特性方面具有重要意义。

图3 线偏振随机光纤激光器输出超连续谱的实验结构图

图4 非线偏振随机激光器和线偏振随机激光器分别使用1000 m GDF和100 m PM-GDF时输出超连续谱的光谱对比

基于光子晶体光纤的随机光纤激光器输出超连续谱

光子晶体光纤具有很高的非线性系数，同时其色散特性灵活可调，通过改变其结构参数很容易满足宽带超连续谱产生的色散匹配条件。为了优化随机光纤激光器输出超连续谱的光谱带宽和平坦度，课题组在随机光纤激光器的半开腔内引入光子晶体光纤，利用光子晶体光纤提供随机分布反馈和作为光谱展宽的非线性介质，实验结构如图5所示。

图6为随机光纤激光器输出超连续谱在不同泵浦功率下的光谱演化曲线，在最高17 W泵浦功率下获得了光谱范围覆盖400 nm~2300 nm的超连续谱输出，其中20 dB光谱范围超过1600 nm。相比于传统使用脉冲光纤激光器泵浦光子晶体光纤输出超连续谱的方法，该结构输出的超连续谱不仅具有可以比拟的光谱带宽和平坦度，还具有结构简单和成本低等优点。该项工作进一步丰富了随机光纤激光器和超连续谱的研究内容。

图5 基于光子晶体光纤的随机激光器输出超连续谱的实验结构图

图6 输出光谱在不同泵浦功率下的演化曲线

总结

随机光纤激光器输出超连续谱具有结构简单、成本低和鲁棒性好等优点。但是，目前随机光纤光纤激光器输出超连续谱的产生机理还不完全清晰，后续我们将进一步建立理论模型，揭示其中超连续谱的产生过程。另一方面，随机光纤激光器输出超连续谱的功率水平也有巨大的提升空间，需要研究人员进一步探索。可以预见，在未来的发展过程中，高功率、宽光谱带宽的随机光纤激光器仍将不断发展，这些发展也必将为超连续谱激光提供更广阔的应用前景。

论文信息：

1. J. He, R. Song, L. Jiang, J. Hou. Supercontinuum generated in an all-polarization-maintaining random fiber laser structure[J]. Optics Express, 2021, 29(18): 28843.

2. J. He, R. Song, W. Yang, J. Hou. High-efficiency ultra-compact near-infrared supercontinuum generated in an ultrashort cavity configuration[J]. Optics Express, 2021, 29(12): 19140.

3. J. He, R. Song, Y. Tao, J. Hou. Supercontinuum generation directly from a random fiber laser based on photonic crystal fiber[J]. Optics Express, 2020, 28(19): 27308.

4. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, and J. Hou. Random fiber laser directly generates visible to near-infrared supercontinuum[J]. Optics Express, 2019, 27(21): 29781.

5. L. Chen, R. Song, C. Lei, W. Yang, F. He, and J. Hou. Influences of position of ytterbium-doped fiber and ASE pump on spectral properties of random fiber laser[J]. Optics Express, 2019, 27(7): 9647.