RESEARCH ARTICLE

Composite fiber Bragg grating written by femtosecond laser for Raman suppression in high-power fiber oscillators    

Hao Li, Rong Zhao, Binyu Rao, Xinyu Ye, Baolai Yang, Meng Wang, Zhixian Li, Zilun Chen, Zefeng Wang, Jinbao Chen

2025, 18(4): 21.https://doi.org/10.1007/s12200-025-00165-3

Abstract：High-power fiber oscillators have been widely used in industrial processing, high-end manufacturing, biomedicine and so on. However, as the output power increase, stimulated Raman scattering (SRS) becomes the main factor limiting the performance improvement of fiber oscillators. In this paper, a chirped and tilted fiber Bragg grating (CTFBG) is used to suppress SRS in a high-power fiber oscillator. The CTFBG is fabricated on one side of a low-reflectivity FBG (LRFBG) to form a composite FBG by the femtosecond laser phase mask technology, enhancing the compactness and stability of the fiber oscillator system. SRS is effectively suppressed by CTFBG with a Raman suppression depth and width of 16 dB and 86 nm, respectively, and the Raman light ratio in the output power decreases by an order of magnitude. The output power of fiber oscillators is increased to 9 kW, which is the highest power for fiber oscillators with SRS suppression using CTFBGs, to the best of our knowledge. This work demonstrates that the composite FBG can effectively improve the performance of high-power fiber oscillators, which provides new insights into the development of fiber laser technology.

研究背景

高功率光纤振荡器在工业加工等领域应用广泛，但随着输出功率的提升，受激拉曼散射（SRS） 成为限制其性能提升的主要因素。SRS会导致信号光向拉曼光转换，降低输出功率和效率，并可能诱发横向模式不稳定性（TMI），增加系统损伤风险。使用光纤光栅（如啁啾倾斜光纤布拉格光栅，CTFBG）作为光谱滤波器是抑制SRS的有效方法之一。然而，传统紫外激光刻写的光纤光栅存在制备周期长、易发热、功率处理能力有限等问题。飞秒（fs）激光刻写技术 为制备高性能光纤光栅提供了新途径，但其刻写的CTFBG在高功率光纤振荡器中的应用潜力仍需进一步验证和提升。

主要内容

本文提出并验证了一种采用飞秒激光相位掩模技术在同一根光纤上制作的复合光纤布拉格光栅（复合FBG），用于抑制高功率光纤振荡器中的SRS。该复合FBG由作为腔镜的低反射率FBG（LRFBG）和用于抑制拉曼的CTFBG单片集成构成。通过在振荡器谐振腔内引入此复合FBG，有效抑制了SRS，并显著提升了系统的紧凑性与稳定性。

创新点

• 器件结构创新：首次采用飞秒激光在同一根30 μm/250 μm大模场双包层光纤上单片集成了LRFBG与CTFBG，形成复合FBG。这避免了单独引入CTFBG所增加的熔接点，降低了系统损伤风险，并提升了激光器的紧凑性和稳定性。

• 技术应用创新：将飞秒激光刻写的CTFBG应用于9 kW级高功率光纤振荡器中，实现了目前已知的、采用CTFBG抑制SRS的光纤振荡器最高输出功率记录，证明了飞秒激光刻写CTFBG在高功率领域的优越潜力。

方法

• 光栅制备：设计并搭建了基于飞秒激光（515 nm， 290 fs）相位掩模扫描技术的刻写系统。通过振镜垂直扫描方案刻写镜面FBG（LRFBG），通过电动平移台倾斜扫描方案刻写CTFBG。采用级联刻写方法制作了由三个不同倾斜角（7.4°， 6.6°， 5.4°）CTFBG构成的宽带CTFBG，总长40 mm。

• 系统搭建：构建了全光纤后向泵浦振荡器。增益光纤为38米长的掺镱光纤，采用969 nm + 982 nm双波长泵浦以提升TMI阈值。将复合FBG（CTFBG位于谐振腔内）作为输出腔镜引入系统。

结果

• SRS抑制效果：复合FBG中的CTFBG在1135 nm波段（对应1080 nm信号光的一阶斯托克斯光）实现了深度达16 dB、3 dB带宽为86 nm的拉曼抑制。在最大输出功率下，输出光谱中的拉曼光比例从4.5%降至0.2%，降低了一个数量级。

• 功率提升：在抑制SRS和提升TMI阈值（从8.25 kW提升至8.7 kW）的共同作用下，光纤振荡器的最大输出功率从8.91 kW提升至9.05 kW，增加了140 W，斜率效率为83.4%。

结果

本研究成功演示了飞秒激光刻写的单片集成复合FBG在高功率光纤振荡器中抑制SRS的有效性。该方案不仅显著提升了拉曼抑制性能，还通过结构集成增强了系统的可靠性和紧凑性，为发展功率超过10 kW的高性能光纤振荡器奠定了重要的器件基础。

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