高功率光纤激光器受激声子散射对受激热致瑞利散射动力学特性影响研究

Stimulated thermal Rayleigh scattering (STRS) in high power fiber lasers leads to the onset of mode instability, which is a hot topic in high power fiber laser area in recent years. Recent research reveals that the mutual effect between Stimulated phonon scattering (SPS, which refers to stimulated Brillouin scattering and stimulated Raman scattering) and STRS results in the decrease of STRS threshold and even cancelling out the effect of the present STRS mitigating strategies. However, current work has not taken the mutual effect between SPS and STRS into consideration. Therefore, in this project, we will build the mathematical model of the dynamics of STRS in high power fiber lasers, which can include the mutual effect, and setup high power single mode fiber laser platform, investigate the physical characterization difference of SPS on STRS with different parameters , clarify the underlying physical mechanism and illustrate the influence of SPS on STRS, such as threshold, dynamical mode coupling. Then we will provide a theoretical design frame for the power scaling of high power single mode fiber lasers, which would enrich the modern nonlinear fiber optics scheme. Our ultimate aim is to propose mitigating strategies for suppressing SPS and STRS simultaneously and lay a foundation for further increasing the power of single mode fiber laser systems.

高功率单模光纤激光系统中的受激热致瑞利散射(STRS)会导致模式不稳定现象，是近年来高功率光纤激光技术领域的研究热点。文献表明，当受激声子散射(SPS，指受激布里渊散射和受激拉曼散射)与STRS产生相互耦合时，将会导致STRS阈值大幅下降，甚至抵消现有STRS抑制技术效果。但是，当前研究未考虑SPS与STRS的相互耦合的机理及影响。鉴于此，本项目拟建立考虑SPS的STRS完善理论模型并搭建高功率单模光纤激光器实验研究平台，进行不同参数时SPS与STRS相互作用的物理表征异同的系统研究，揭示SPS与STRS相互作用的内在物理机理，以及SPS对STRS阈值、模式动态耦合等动力学特性的影响规律，推演出一套完整的用以指导高功率单模光纤激光器的设计理论、丰富非线性光纤光学基础领域的研究，提出兼顾SPS和STRS抑制的有效方案，为高功率单模光纤激光器功率的进一步提升奠定基础。

高功率单模光纤激光系统中的受激热致瑞利散射(STRS)会导致模式不稳定现象，是近年来高功率光纤激光技术领域的研究热点。文献表明，当受激声子散射(SPS，指受激布里渊散射和受激拉曼散射)与STRS产生相互耦合时，将会导致STRS阈值大幅下降，甚至抵消现有STRS抑制技术效果。但是，当前研究未考虑SPS与STRS的相互耦合的机理及影响。鉴于此，本项目搭建了高功率单模光纤激光器实验研究平台，开展了受激光频声子导致模式退化物理表征研究，并建立了考虑 SPS 效应的 STRS 效应动力学数理模型，建立了用以指导高功率单模光纤激光器设计的理论。研究表明：高功率光纤激光器中光子暗化会导致准静态模式退化，进一步丰富了高功率光纤激光器模式退化物理现象，对于高功率光纤激光学科发展与丰富具有重要科学价值；分布式侧边泵浦光纤(DSCCP)模式不稳定阈值比端面泵浦光纤激光高，有望实现数万瓦的宽谱单模光纤激光输出，对于单纤单模光纤激光发展具有重要参考意义；受激光频声子导致的模式退化现象是静态模式退化，光斑动态变化是由于实验室环境百赫兹扰动导致，首次揭示了大模场光纤中SRS导致模式退化的物理机制是纤芯泵浦拉曼效应。最终，在理论研究指导下，研制了输出功率3kW、0.18nm线宽、信噪比37dB的高光学信噪比1030nm单模光纤激光器，输出功率提升50%，综合指标为国际上公开报道的最高指标，在1064nm波段实现了输出功率5.07kW、0.37nm线宽、信噪比24dB的单模光纤激光器，输出功率提升25%，为1064nm波段国际上首次突破5kW大关，对高功率光纤激光研发具有重要应用和产业价值。

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