本文作者饶云江，电子科技大学信息与通信工程学院，光纤传感与通信教育部重点实验室，光纤光学研究中心，仅供交流学习之用，感谢分享！

引言

自从2010年分布反馈式光纤随机激光器的概念提出以来，光纤随机激光器(Random Fiber Laser， RFL) 得到了长足的发展，取得了系列研究成果，涵盖光纤通信、传感、成像等研究领域。光纤随机激光器不同于常规光纤激光器，激射过程不依赖于传统的谐振腔结构，因而具有结构更简单、转换效率更高、相位噪声更低、稳定性更好、可靠性更高、寿命更长、维护更简单等突出优点，有望形成新一代的光纤激光器，因此，开展光纤随机激光技术的研究具有重要的科学意义与应用价值。

根据反馈类型分类，光纤随机激光器可以主要分为基于瑞利散射分布反馈的光纤随机激光器、填充型光纤随机激光器和基于随机光栅的光纤随机激光器三大类别。根据增益类型分类，光纤随机激光器则可以主要分为基于非线性增益( 如拉曼增益和布里渊增益) 的光纤随机激光器基于稀土掺杂离子增益的光纤随机激光器及基于混合增益的光纤随机激光器。其中瑞利散射型和随机光栅型光纤随机激光器均为实心光纤中实现，其发展历程也从最早的采用通信用标准单模光纤逐渐拓展到各种特种光纤，从早期的光谱特性、结构探索的研究逐渐拓展到新机理、新现象的解释，在发掘光纤随机激光研究潜力的同时，也催生出了许多极具特色的研究方向。

本文首先回顾传统随机激光器的起源和发展历程，然后介绍光纤随机激光器早期的发展及分类，并着重基于瑞利散射反馈类型的光纤随机激光器，综述了近几年发展最热门的高功率/高效率光纤随机激光器、窄线宽光纤随机激光器、宽谱发射光纤随机激光器和多模光纤随机激光器等方向最新的研究进展，并介绍了光纤随机激光器在分布式光纤传感、光纤通信中的应用，最后对光纤随机激光器的发展提出展望。

1、光纤随机激光器的发展历程

随机激光现象涉及光与物质相互作用、光子散射、光干涉和非线性光学等诸多领域的科学问题，其概念最早出现在 20 世纪 60 年代，由 BASOV N G 及其合作者提出。ANDERSON P W 等关于电子在无序介质中安德森局域化现象的研究启迪了人们对光子局域化机制的探索。之后，1994 年 LAWANDY N M 等在 Nature 上报道了第一个基于粉末强散射的随机激光器，通过脉冲泵浦在TiO2微粒和罗丹明的胶体溶液中观测到了激光辐射现象，这一发现激发了对随机激光器的探索热情，极大地推动了随机激光的研究，多种形式的随机激光器被相继发现，如π-共轭聚合物、悬浮染料、随机微腔结构、掺杂染料向列液晶、生物组织等。此外，美国耶鲁大学的CAO H 等基于环形腔理论很好地解释了随机激光的产生，在此基础上，研究人员又提出了准态模型等理论，对随机激光的产生机理、工作特性、模式特性等进行了深入研究，传统激光器与随机激光器结构对比如图1所示。2012年，CAO H 等论证了基于粉末的随机激光具有较低的空间相干性， 是进行无散斑全场成像系统的理想的光源。尽管随机激光器具有许多有趣的特性，但通常缺少方向性发射，激射阈值高需要高能脉冲泵浦，随机结构在微米乃至纳米级因此产生的随机激光能量极低，这些都限制了其实用化程度。

在随机激光器的基础上，又发展出填充型光纤随机激光器，这是最早提出的一维随机激光器的实现形式。2007 年，MATOS 等利用在空芯光子晶体光纤内填充罗丹明 6 G 溶液作为增益介质，并在溶液中混入直径为 250 nm 的 TiO2纳米颗粒作为散射介质来实现对随机激光激射的定向输出，在侧向泵浦下得到非相干光纤随机激光，其结构图如图 2 ( a) 所示。2012 年，HU Z 等将多面体齐聚倍半硅氧烷( Polyhedral Oligomeric Silsesquioxanes，POSS) 纳米颗粒与吡咯597( Pyrromethene 597，PM597) 激光染料混合注入空芯光纤内，通过 纤芯泵浦的方式得到在弱散射系统中的相干型随机激光，如图2(b)所示。2016年，ZHANG W L 等将随机包层概念引入到圆柱波导随机激光研究中［26］，如图 2( c) 所示，利用在包层中注入散射颗粒的方法，将光束缚在波导结构中，同时纤芯的增益介质控制输出在光纤轴向，实现了随机激光的较低阈值和具有一定方向性的激光发射，其输出特性如图 2( d) 所示。此外，基于光子晶体结构的填充型光纤随机激光器也得到了广泛研究和关注。虽然填充型光纤随机激光器可以实现方向性良好的随机激光输出，且其泵浦阈值较块状随机激光器明显降低，但其结构实现依旧比较复杂，需要特种空芯光纤及合适的增益及散射介质填充，而且由于腔体损耗较大，输出激光效率很低，与商用光纤的光学系统兼容性差，限制了其实用化程度。

另一种常见的实现光纤随机激光的反馈方式是利用光纤上随机刻写的光纤光栅( Fiber Bragg Grating， FBG) 阵列。这一类光纤随机激光是由在普通单模光纤或有源增益光纤上写入的一组随机分布的弱反 FBG 构成的。基于该激射机理的随机光纤激光器最早提出于 2009 年，其实验结构如图 3( a) 所示。在掺饵光纤中随机间隔刻写多个长度不同的 FBG，且阵列中任意两个 FBG 间具有随机相位差，随机 FBG 反射光能得到光纤中的掺铒增益，从而实现随机激光激射。同理，也可以在无源光纤中随机刻写 FBG，利用光纤中的拉 曼增益实现基于随机 FBG 阵列的拉曼光纤随机激光器。该类光纤随机激光器由于随机反馈强度较高，因而具有低阈值、所需光纤长度短等特点，但该类激光器输出效率和功率一般很低，且输出多为相干随机激光，存在较强的模式竞争，输出激光光谱和强度较不稳定，随机分布光纤光栅阵列典型的反射谱如图 3( b) 所示，可以看出具有随机的谐振尖峰结构，这一随机反射特性导致了输出光谱强烈的模式竞争及光谱不稳定。为了稳定该相干反馈光纤随机激光器的输出特性，可以通过注入控制光的方式引入局部增益微扰或引入局部温度调控，有效稳定输出并通过改变控制位置调节激射波长。此外，由于该类型结构具有丰富的随机谐振频率成分，因此有利于开展关于随机模式锁定的基础研究，基于该类相干光纤随机激光器可以实现准锁模输 出的脉冲光随机激光，研究大量随机谐振腔存在下的脉冲谐振频率特性。

2010 年，英国学者 TURITSYN S 等在 Nature Photonics 上报道了一种全新的基于标准单模光纤的新型随机激光器，光纤纤芯材料的不均匀性会导致其轴向折射率的随机分布，进而产生瑞利散射并为随机激光的产生提供光学反馈，同时，硅基光纤也可作为增益介质，通过受激拉曼散射放大提供足够增益，其工作原理如图4所示。与传统随机激光介质相比，单模光纤波导结构可很好地限制光的径向散射，并严格控制输出光在光纤轴向上，所以这样的光纤随机激光器能实现很好的方向性和很高的输出功率，从根本上克服传统随机激光器的缺陷。分布反馈式光纤随机激光( Distributed Feedback Random Fiber Laser，DFB-RFL) 极为独特的光学属性为激光物理、非线性光学研究提供了新的平台，并为其在光纤通信、光纤传感等领域的应用开辟了新的道路。

自从 DFB-RFL 概念被提出以来，研究人员在其实现方式、多波长、可调谐、多阶激光产生以及混合增益机制下的随机激光产生等方面做了进一步的探索，并取得了很好的研究进展。国际上，英国阿斯顿大学和俄罗斯新西伯利亚州立大学在随机光纤激光的理论建模、特性分析、新的调谐研究等方面开展了深入广泛的工作。西班牙和葡萄牙等国家的学者在随机光纤激光器调制方式、多波长输出、相对强度噪声转移以及噪声特性分析等方面开展了系列研究，并探索了其在光信息领域的应用。加拿大渥太华大学利用被布里渊斯托克斯光诱发和放大的光纤随机瑞利散射实现了 kHz 量级的窄线宽随机激光输出。国内各高校团队也开展了随机光纤激光器的基础研究。中国科技大学利用特殊溶液在空心光纤中实现了一种弱反馈机制下的相干随机光纤激光器; 北京化工大学实现了一种波长在 1 115 nm 的随机光纤激光器; 深圳大学利用20W掺镱光纤激光器实现了一种四级级联的拉曼光纤激光器; 中国计量大学在掺饵光纤随机激光方向实现了很低阈值的激射;国防科技大学在高功率光纤随机激光器方面取得系列突破性进展，持续刷新光纤随机激光器输出功率的世界纪录，获得了千瓦级光纤随机激光输出，清华大学、中国科学院上海光学精密机械研究所也先后开展了大功率光纤随机激光器的研究。

作者所在的电子科技大学光纤传感与激光团队为国内最早开展全光纤随机激光器研究的团队。2012年，报道了基于FBG的半开放腔结构的二阶光纤随机激光器和超长光纤环形腔结构的光纤随机激光器; 首次发现光纤随机激光的温度不敏感特性，并提出了光纤随机激光点式传感概念。2013年，首次提出基于光纤随机激光的拉曼光放大概念，并将其应用于基于布里渊光时域分析仪( Brillouin Optical Time Domain Analysis，BOTDA) 的光纤分布式应变、温度传感系统中; 提出了单模光纤与其他特种光纤混合增益以实现优化或特定波长的光纤随机激光输出。2014 年，发现点式反射镜和短光纤构成的半开腔 DFB- RFL 结构是实现大功率输出的有效途径，从理论仿真和实验验证两方面论证了该结构实现高功率随机激光输出的可行性，为大功率 DFB-RFL 的设计提供了理论指导; 首次将基于光纤随机激光的光放大技术与布里渊和拉曼光放大技术相结合，并应用于基于相位敏感型光时域反射仪( Phase-sensitive Optical Time-Domain Reflectometry，φ-OTDR) 的光纤振动分布式传感系统中。2015年，提出了基于掺杂石墨烯偏振饱和吸收特性的强度调制器思路，实现了 DFB-RFL 的单偏振脉冲产生，调制的光脉冲宽度达到亚 ns 量级。2016 年， 充分利用输出光功率与偏振态相关的特性，提出通过偏振调控产生脉冲型光纤随机激光。2017年，采用掺镱光纤与标准单模光纤混合的共腔光纤随机激光结构，产生了1115 nm 的掺镱和受激拉曼混合增益的随机激光，为产生高功率随机激光提供了一个更简单、低成本的方案。2018 年，系统研究了基于光纤随机激光泵浦的超连续谱产生并开展了多模光纤随机激光特性的研究。2019 年，研究了拉曼增益随机光纤激光器光谱强度波动的统计特性。表 1 列举了分布式反馈随机光纤激光器的主要研究重点及团队信息。

2 光纤随机激光器研究进展

自2010年基于瑞利散射型光纤随机激光概念提出以来，经历了前几年各个研究方向雨后春笋般的蓬勃发展，光纤随机激光的研究逐渐沉淀在少数几个热门领域，如高功率/高效率光纤随机激光器、窄线宽光纤随机激光器等。这些热门研究方向的实现及指标提升充分利用光纤随机激光器独特的结构特性，既深入挖掘了光纤随机激光器的科学意义和发展潜能，又极大丰富了各自领域的研究形式，为各研究方向在特定性能、指标上的提升注入强大的动能，实现了诸多传统技术路线无法企及的优异特性，满足特定应用的需求。此外，光纤随机激光器的发展也逐渐由起初的简单结构，如基于单模光纤的研究，逐渐拓展到少模、多模研究领域，推动了如光纤型无散斑成像照明技术的发展。本节将逐点介绍近几年光纤随机激光器的热门研究方向。

2.1 高功率/高效率光纤随机激光器

相比于稀土掺杂光纤激光器，拉曼光纤激光器的激射波长由泵浦波长和光纤的拉曼频移决定，可实现任意波长的激光输出，是获得特殊波长激光的最重要手段。此外，拉曼光纤激光器具有量子亏损小、自发背景噪声低、无光子暗化等优点，是实现高功率、高亮度激光的重要途径之一。传统的拉曼光纤激光器为了得到高功率的输出，需要仔细优化激光器腔体长度以及光纤两端反射镜的反射率和反射带宽。DFB-RFL 由于不含有传统光纤激光器的点式反馈器件( 如 FBG) ，因而结构非常简单，性能稳定，具有十分重要的潜在应用价值。

通常，由于单模光纤后向瑞利散射系数相对较低，所以由较长单模光纤(＞40km) 构成的 DFB-RFL 的激射效率明显低于传统的拉曼光纤激光器。因此，DFB-RFL 的一个重要研究方向就是提高其激射效率。2014年，研究人员在基于短腔高功率、高效率 RFL 的研究上取得重要突破，研究结果表明，通过采用由一段较短单模光纤和靠近泵浦输入端的点式反射镜构成的半开腔结构，在泵浦端点式反馈镜和短光纤中的随机分布瑞利散射的共同作用下，可以产生高效率、高功率的一阶随机激光，如图 5( a) 所示。实验中采用 10 W 的 1090 nm 泵浦和 1 km 标准单模光纤获得了较高输出功率( 7 W) 和较高光转换效率( 70% ) 的随机激光，如图 5( b) 所示。

进一步理论计算表明，采用更短的光纤时，最大的光光转化效率会更高，二阶随机激光的阈值也会更高( 图 6) ，获得的一阶随机激光的最大输出功率会随光纤长度的降低而迅速增大，如采用 100 m 光纤时，在 240 W泵浦作用下，有望得到 226 W 的一阶随机激光输出，光光转化效率为 94% ，逼近量子极限 95%。国防科技大学利用强泵浦，用掺镱光纤激光器泵浦 120 m 长无源光纤和 FBG 构成的半开腔 DFB-RFL，将随机光纤激光功率输出记录提高到了 193． 5 W( 泵浦功率 221． 4 W) ，光光转化效率约为 89% ，这一实验结果与 2014 年电子科技大学的理论预测吻合得很好。俄罗斯课题组 VATNIK I D 等论证了在高于阈值时光纤随机激光的光光转换效率接近 100%。上述研究成果表明: 短腔 DFB-RFL 具有结构简单、性能稳定、可靠性高、寿命长等显著优点，可望实现比传统拉曼光纤激光器更高的输出效率和功率，从而为高功率光纤激光器的发展提供新的发展思路，被美国光学学会( Optical Society of America，OSA) 会刊 Optics ＆ Photonics News 评为 2014 年度全球 30 项重要光学进展之一: “Random fiber laser: Simpler and Brighter”( 图 7) 。可以期待，高功 率随机光纤激光器有望在激光加工、激光武器、光学成像、光学测量等领域获得重要应用。

近年来，基于上述短腔高功率光纤随机激光器实验和理论的指导，各个研究团队不断推进高功率光纤随机激光器的输出功率和转换效率。国防科技大学在高功率光纤随机激光领域成果丰硕，2015年，采用主振荡器功率放大器( Master Oscillator Power-Amplifier，MOPA) 结构放大基于光纤随机激光器的种子光，获得了千 瓦级的放大光纤随机激光输出，并发现了在放大过程中光谱带宽不展宽的特性，对维持激光器高光谱密度具有重要意义，该特性得到了广泛的研究和论证;2017 年，为了进一步提升输出光功率，采用 20 /130 μm 的少模光纤实现了超过 400 W 的光纤随机激光输出，并保持远场光斑的准高斯分布;首次提出采用高功率自发辐射( Amplified Spontaneous Emission，ASE) 光源作为泵浦激发光纤随机激光的产生，在全保偏光纤中实现了百瓦级的线偏振光纤随机激光，ASE泵浦对于获得具有低噪声特性的光纤随机激光具有重要意义; 2019年，通过优化光纤结构，该团队采用 90 m 的少模掺锗光纤实现了近千瓦的光纤随机激光输出，为 目前单级光纤随机激光器输出功率的世界纪录。其他团队也相继在该领域发力，2015 年，俄罗斯课题组 ZLOBINA E A 等采用全保偏光纤及器件实现了泵浦到一阶斯托克斯光 87% 的光光转换效率; 2019 年，中国科学院上海光学精密机械研究所采用光纤随机激光作为种子源的 MOPA 结构，实现了0． 22 nm带宽光纤随机激光 1． 36 kW 最大输出功率，并通过改变种子源结构中无源光纤的长度，优化放大后光谱带宽。2019 年，清华大学采用同代泵浦在 MOPA 装置中实现了 4 kW 的光纤随机激光输出，3 dB 带宽从 6． 88 W 种子光的 0． 783 nm 经过放大到最大功率只展宽到 0． 99 nm。表 2 汇总了高功率 DFB-RFL 发展过程中代表性的研究进展。

2.2 窄线宽光纤随机激光器

窄线宽光纤随机激光器是光纤随机激光器研究领域另一个有特色的方向。众所周知，窄线宽光源在传感系统里面具有重要地位，对传感性能的提升具有重要意义，一直以来都是传统激光器的热门方向，而基于光纤随机激光的窄线宽激光器，由于具有结构简单、低噪声、超窄线宽等优势，近年来得到了广泛的研究与关注。通常来讲，根据实现形式的不同，窄线宽光纤随机激光器主要包含两种线宽压缩机制: 1) 利用光纤随机激光开放腔结构，通过引入窄带滤波器，对激射波长、带宽进行选择和调控; 2) 利用分布式瑞利散射，或随机光栅结构对随机激射光进行线宽压缩，并可以实现低噪声、稳定的发射。

对于第一种窄线宽光纤随机激光器实现形式，2013 年，SUGAVANAM S 等提出在全开放光纤随机激光器中引入窄带 FBG 实现了 0． 05 nm 的激射带宽，进而引入光纤法布里-珀罗腔( Fiber Fabry-Perot，FFP) ，实现了多波长的窄带宽激射，结构如图8( a) 所示。2015年，LEANDROD等通过采用带宽更窄的相移光 纤光栅( Phase Shifted Fiber Bragg Grating，PS-FBG) ，实现了 3． 2 pm 的激射带宽，装置如图 8( b) 所示，并通过 引入多个不同中心波长的 PS-FBG 实现窄线宽多波长激射。这一类型窄线宽光纤随机激光器的研究充分利用了光纤随机激光器的开放结构，易于通过引入点式的选择器件对随机激射特性进行调节，具有结构简单、容易实现的优势。其激射带宽完全取决于滤波器件，并通过对滤波器件中心波长的调节实现激射波长的调谐。然而，相比传统单模窄线宽激光器，其带宽仍然较高。

采用随机反馈压缩线宽的方式可以实现具有极窄线宽的光纤随机激光，该方向的研究以加拿大渥太华大学 BAO X 课题组的工作最具代表性。2013 年，其团队 PANG M 等在布里渊光纤随机激光器结构中，发现分布式瑞利散射具有对激射线宽显著的压窄效应，并观察到 10 Hz 级的随机尖峰结构，该类型线宽压缩典型的装置及原理示意图如图 9 所示。

2014 年，利用飞秒激光器在光纤中刻写的随机光栅结构，实现了具有低噪声的约 2.1 kHz 的窄线宽随机激射，为随机激射线宽压窄提供了新技术路线。在这两种实施方案的指导下，该团队对窄线宽光纤随机激光器进行了系统的论证和研究。2016 年，采用瑞利增强型的锥形光纤提供分布式散射，实现了具有低相对强度噪声的 1． 17 kHz 窄线宽光纤随机激光。2017 年，在全保偏光纤结构中实现了转换效率 25% 的高效率布里渊光纤随机激光器，其激射线宽小于 1 kHz 且保持低噪声的特点。2018 年，通过将产生的窄线宽布里渊激射重新注入激光器结构中作为泵浦，实现了多阶布里渊激射的多波 长窄线宽激光器，每一阶激光线宽约为 1 kHz，且不同波长之间的功率差波动小于 1． 8 dB。采用类似的结构，结合随机光栅提供随机反馈，同样实现了多波长窄线宽的随机激射，相比于随机瑞利散射，随机光栅降低了激射阈值，支持更多阶波长激射。国内重庆大学 ZHU T 团队也对瑞利散射压窄线宽进行了相关研究，包括采用在掺铒光纤环形结构中采用瑞利压窄实现双波长、可调谐的窄线宽激光，每个波长的线宽约为700 Hz。武汉理工大学采用全光栅光纤实现了 1． 25 kHz、光信噪比为 75 dB 的超窄线宽光纤随机激光器。北京交通大学研究了瑞利增强光纤用于实现单模窄线宽随机激光器，得到了线宽约 3． 5 kHz、对比度近 50 dB 的单模激光输出。

2.3 宽谱发射光纤随机激光器

光纤随机激光器结构最大的特点是开放腔，不受限于谐振结构及波长选择器件，因而适用于宽谱发射、多阶级联、宽谱可调谐激光器的研究，近年来这一领域也涌现出一系列优秀成果。2016 年，俄罗斯 BABIN S A 等在全保偏光纤结构中实现了三阶拉曼随机激光，每一阶激光波长保持相对窄带宽的同时，都达到了约 80% 的转换效率。中国计量大学 DONG X 团队在半开放结构中实现了多波长、可调谐光纤随机激光器输出。中国科学院上海光学精密机械研究所 FENG Y 团队在宽谱可调谐随机激光发射方面进行了出色的研究，2016 年，采用可调谐的掺镱激光器泵浦源以及配合高阶拉曼激射，实现了 1 070 ～ 1 370 nm 的宽谱可调谐发射。2017 年，为了进一步拓宽发射范围，他们采用具有更长波长色散零点的拉曼光纤，实现了从 1 ～ 1． 9 μm的超宽谱随机激光可调谐发射，其实验结构及发射光谱如图 10 所示。2018 年，该团队在产生高阶 拉曼随机激光的同时，获得了第九阶随机激光约 115 W 的高功率输出，验证了该结构可以同时实现宽谱可 调谐和高功率输出的特性。南京邮电大学研究了多倍布里渊频移的多波长布里渊掺铒光纤激光器，输出 波长可以在 60 nm 范围内调谐。

此外，为了充分利用开放结构宽谱反馈的特性，通过引入非线性光纤，电子科技大学 MA R 等实现了光纤随机激光全开放结构中的超连续谱产生，光纤随机激光作为桥梁，将正常色散区的泵浦源通过产生的随机激光激发超连续谱产生，在全开放结构中获得了 10 dB 带宽、172 nm 的宽谱发射，在半开放及全开放结构中实现的光纤随机激光泵浦的超连续谱如图 11 所示。后续研究中，在后向散射增强的光纤结构中首次发现后向超连续谱产生，该后向超连续谱具有相对强度噪声低的特点，为宽谱低噪声光源的研制提供了新思路。2019 年，国防科技大学 CHEN L 等基于光纤随机激光泵浦在 1 km 无源双包层单模光纤中实现了 20 dB带宽、高达 500 nm 的超连续谱，论证了光纤随机激光可以成为一种新颖、简单、低成本、低相干、具有鲁 棒性的近红外超连续谱生成方法。

2. 4 多模随机光纤激光器无散斑成像研究

光纤随机激光器的研究主要集中在单模光纤结构中，这是因为在单模光纤结构中具有较高的非线性效应，因此激射阈值相对较低，容易在开放结构的光纤随机激光器中实现随机激射。光纤随机激光器的不断发展，逐渐衍生出基于少模、多模光纤随机激光的研究。在 2013 年，俄罗斯的 BABIN S A 团队通过高功率激光二极管( Laser Diode，LD) 直接泵浦渐变折射率多模光纤( Graded Refractive Index，GRIN，62． 6 /125μm) 组成 的开放结构实现了多模光纤中的随机激光激射，其阈值也高达 40 W，阈值之上的随机激光具有类似传统 GRIN 光纤中拉曼自净化带来的光束质量提升。2015 年，国防科学技术大学 DU X 等通过结合基于单模光纤的随机激光器结构与少模光纤光栅( Few Mode Fiber Bragg Grating，FM-FBG) ，实现了输出激光空间模式的可调。2019 年，英国阿斯顿大学 ZULKIFLI M Z 等基于 17 km 少模光纤实现了少模光纤随机激光激射。传统随机激光器由于具有低空间相干性而适合用于无散斑成像照明系统，本文作者所在团队充分发 挥光纤随机激光器方向性好、平均功率高、结构简单、泵浦要求低等优势，开展了基于大芯径阶跃多模光纤随机激光空间相干性的研究。2018 年，该团队系统对比了单模、多模光纤随机激光器以及宽谱 ASE 光源、传统 窄线宽激光器( Narrow Linewidth Laser，NLL) 在照明成像系统中的散斑特性，不同机制下的散斑对比度如图 12( a) 所示，成像效果如图 12( b) 所示，论证了多模光纤随机激光不仅具有与传统多模非相干光可比拟的低空间相干性，同时得益于激光激射过程具有高光谱密度的优势，对于透过强散射介质进行成像具有重要意义。为了满足光学相干断层扫描( Optical Coherence Tomography，OCT) 等系统关于宽谱光源的需求，课题组还开展了光纤超连谱在多模光纤中退相干特性的研究，揭示了光谱带宽、光纤芯径及多模光纤长度对空 间相干性及散斑特性的影响。2019 年，基于 MOPA 结构的高功率光纤随机激光器，研究了高功率多模光纤随机激光的散斑特性，结果表明激光器的功率对于散斑对比度的降低也有重要贡献，功率的增加能激发多模光纤中更多的有效模式，模式数的增加能有效降低光束的空间相干性。

多模随机光纤激光器的研究目前尚属于起步阶段，其诸多特性仍有待深入发掘完善。例如，空间相干性可调多模随机光纤激光器有较好的研究前景，以满足不同应用对空间相干性灵活的需求，如自由空间光通信、鬼成像等领域。其次，针对多模随机光纤激光与实际成像系统的结合，对生物成像的影响等，根据特定成像系统对光源的要求对随机激光结构的优化等仍有大量工作值得开展论证。除了将其利用到无散斑成像等应用领域，多模随机光纤激光本身的激光特性，特别是在多模光纤中直接产生多模激射、相关的非线性效应、模式稳定性、多模激射热管理效应等都需进一步研究。

3 光纤随机激光器应用进展

光纤随机激光器因其独特的结构、低噪声输出特性等，在分布式光纤传感、光通信等应用领域得到了重要的应用，本节将重点介绍光纤随机激光在光纤分布式传感、超长距离点式传感及长距离光通信中的应用。

3.1 光纤随机激光器在分布式传感中的应用

相对于分立式的光纤放大技术，分布式拉曼放大(Distributed Raman Amplification，DRA) 技术在噪声指数、非线性损伤、增益带宽等诸多方面展现出明显优势，在光纤通信与传感领域得到了广泛应用。高阶 DRA 可使增益深入链路内部以实现准无损光传输( 即光信噪比与非线性损伤的最佳平衡) ，显著改善光纤传输/传感全程均衡性。与常规高阶 DRA 相比，基于超长光纤激光器的 DRA 简化了系统结构，且具有增益钳制作用，展示出很强的应用潜力。但是，该放大方法尚面临泵浦-探测相对强度噪声转移、光信噪比有待提升等制约其应用于长距离光纤传输/传感的瓶颈问题。

2013 年，基于高阶 DFB-RFL 泵浦的 DRA 新概念被提出并得到实验验证。由于 DFB-RFL 独有的半开 放腔结构，其反馈机制仅仅依赖于光纤中随机分布的瑞利散射，产生的高阶随机激光的光谱结构、输出功率均展现出优异的温度不敏感特性，所以高阶 DFB-RFL 能形成一个非常稳定的低噪声全分布式泵浦源。图 13( a) 所 示实验验证了基于高阶 DFB-RFL 的分布式拉曼放大概念，图 13( b) 为不同泵浦功率下，透明传输状态下的增益分布情况。比较可知，双向二阶泵浦最佳，其增益平坦度为 2． 5 dB，后向二阶随机激光泵浦次之( 3． 8 dB) ，而前向随机激光泵浦与一阶双向泵浦接近，分别为 5． 5 dB 及 4． 9 dB，后向 DFB-RFL 泵浦的表现为较低的平均增益和增益波动。同时，该实验中前向 DFB-RFL 泵浦在透明传输窗口的有效噪声系数比双向一阶泵浦的低 2． 3 dB， 比双向二阶泵浦低 1． 3 dB。该方案相比于常规 DRA 在抑制相对强度噪声转移、实现全程均衡传输/传感等方面综合优势明显，且随机激光对温度不敏感，稳定性好，因此，基于高阶 DFB-RFL 的 DRA 可为长距离光纤传输/传感提供低噪声、稳定的分布式均衡放大，具有实现超长距离无中继传输与传感的潜力。

分布式光纤传感( Distributed Fiber Sensing，DFS) 作为光纤传感技术领域的重要分支，具有以下突出优势: 光纤本身就是传感器，集传感与传输于一体; 可连续感知光纤路径上各点的温度、应变等物理参量的空间分布和变化信息; 一根光纤能获得多达数十万点的传感信息，可构成目前距离最长、容量最大的传感网络。DFS 技术在输电线缆、油气管道、高速铁路、桥梁隧道等关系国计民生的重大设施安全监测领域具有广阔的应用前景。但是要实现长距离、高空间分辨率与测量精度的DFS，尚面临光纤损耗所致的大范围低精度区域、非线性所致的谱展宽、非局域化所致的系统误差等挑战。

基于高阶 DFB-RFL 的 DRA 技术具有增益平坦、噪声较低、稳定性好等独特性质，可在 DFS 应用中扮演重要的角色。首先，其被应用于 BOTDA，用于测量施加在光纤上的温度或应变。实验装置如图 14( a) 所 示，这里采用了二阶随机激光与一阶低噪声 LD 的混合泵浦方式。实验结果表明，长达 154． 4 km 的 BOTDA系统具有5 m 的空间分辨率和 ± 1． 4 ℃的温度精度，如图14( b) 、( c) 所示。此外，高阶 DFB-RFL 的 DRA 技术 被应用于提升用于探测振动/扰动的相位敏感型光时域反射仪( Φ-OTDR) 的传感距离，创纪录的 175 km 传 感距离中实现了 25 m 的空间分辨率。2019 年，通过前向二阶 RFLA 和后向三阶光纤随机激光放大的混合，FU Y 等将无中继器 BOTDA 的感应范围扩展到 175 km，据我们所知，该系统已经是迄今为止报道的无中 继器 BOTDA 的最长距离和最高品质因数( Figure of Merit，FoM) 。这是三阶光纤随机激光放大首次应用于分布式光纤传感系统． 该系统的实现证实，高阶光纤随机激光放大可以提供高且平坦的增益分布，并具有可容 忍的噪声水平。

3. 2 光纤随机激光器在超长距离点式传感中的应用

基于拉曼增益的随机分布反馈式光纤激光，其输出光谱已经被证实在不同的环境条件下较宽且稳定，而半开腔 DFB-RFL 的激射光谱位置和带宽与所添加的点式反馈器件的光谱高度相关 。如果点式反射镜( 如 FBG) 的光谱特性随外界环境变化，则光纤随机激光器的激射光谱也会发生变化。基于此原理，光纤随机激光器可以用于实现超长距离点式传感功能。

在 2012 年报道的研究工作中，通过一个 DFB-RFL 光源和 FBG 反射，可以在 100 km 长光纤中产生随机激光。通过不同的结构设计，可以分别实现一阶和二阶激光输出，如图 15( a) 所示。对于一阶结构，泵浦源是 1 365 nm 激光器，与一阶斯托克斯光波长( 1 455 nm) 匹配的 FBG 传感器放在光纤另外一端。二阶结构包含一个 1 455 nm 点式 FBG 反射镜，反射镜放在泵浦端使之更容易产生激射，而 1 560 nm FBG 传感器放置在光纤远端。产生的激射光在泵浦端输出，通过测量出射光的波长变化量就可以实现温度传感。激射波长随 FBG 温度变化的典型关系如图 15( b) 所示。

该方案在实际应用方面极具吸引力的原因是: 首先，传感元件是纯无源器件，而且可做到离解调仪很远 ( 超过 100 km) ，这一点在许多超长距离应用环境( 如电力线路、油气管道、高铁轨道等的安全监测) 是必须要具备的; 另外，待测信息体现在波长域，它只由 FBG 传感器的中心波长决定，使得系统在泵浦源功率或光 纤损耗变化时也可稳定传感; 最后，一阶、二阶激射光谱的信噪比分别高达 20 dB、35 dB，表明该系统可传感的极限距离远超过100 km。因此，良好的热稳定性和超长距离传感使 DFB-RFL 成为高性能的光纤传感系统。

利用类似于上述方法的 200 km 点式传感系统也已经实现，如图 16 所示。研究结果表明，由于该系统传感距离较长，反射回的传感信号在最好情况下的信噪比为 17 dB，较差情况下为 10 dB，温度灵敏度为 11． 3 pm /℃ ． 该系统可实现多波长测量，为同时测量 11 个点的温度信息提供了可能。而且这个数字还可增加，如文献中提到的，一个基于 22 个 FBG 的光纤随机激光器能够在 22 个不同波长上工作。但方案需要一对等长的光纤，对光纤资源的需求相比前述方法增加了一倍。

2016年，借鉴于光纤通信中的光学遥泵技术( Remote Optical Pumping Amplifier，ROPA) ，利用有源光纤中有源增益和单模光纤中拉曼增益的混合增益，全面理论分析并通过实验验证实现了一种基于有源光纤的1． 5 μm 波段的长距离 RFL，如图 17( a) 所示。另外该随机激光系统在长距离点式传感中也有良好的表现。以点式温度传感为例，该结构的随机激光输出端的峰值波长与加在FBG上的温度呈线性变化关系，并且该传感系统具有波分复用功能，如图 17( b) 和( c) 所示。特别要指出的是，相比于之前的结构，该方案具有更低的阈值和更高的信噪比。

在未来的研究中，通过不同泵浦方式和反射镜的设计，有望实现性能更为优越的超长距离光纤随机激光器点式传感系统。

3.3 光纤随机激光器在光纤通信中的应用

超长距离无中继光传输一直是光纤通信领域的研究热点，新型光放大技术的探索是进一步延伸无中继光传输距离的关键科学问题。基于 DFB-RFL 的 DRA 技术为长距离无中继光传输提供了一种新的光放大方法。2015 年，ROSA P 等研究了基于 DFB-RFL 的 DRA 应用于波分复用( Wavelength Division Multiplexing， WDM) 传输系统中的特性。图 18 为该放大方案的结构示意图，采用 1 365 nm 双端泵浦结构，仅在信号接收端加一个 1 455 nm 的 FBG，从而使得激射的 1 455 nm 随机激光主要能量分布方向和信号光传输方向相 反，这样可有效减小随机激光拉曼泵浦光转移到信号光的相对强度噪声。另一方面，采用双端泵浦结构，使得 信号光沿光纤的功率分布相对平坦很多( 图 18) ，从而提高系统的信噪比． 对 25 GHz 信道间隔的 100 信道、 50 km 长的 WDM 光传输系统的仿真结果表明( 图 19) ，采用该放大方案时，各信道间的最大的信噪比差仅为 0． 5 dB，该放大方案在 DWDM 系统中具有优异的表现。

2016 年，TAN M 等将图 18 所示的基于 DFB-RFL 的 DRA 技术应用于 10 × 116 Gb /s DP-QPSK WDM 中，并比较了该方案与基于传统拉曼激光器( 光纤两端均放置 1 455 nm FBG) 的 DRA 方案以及传统二阶拉曼放大方案( 光纤一端同时注入 1 365 nm 和 1 455 nm 泵浦) 的传输性能。结果表明，采用 DFB-RFL 的 DRA 技术能获得最长的传输距离，达到 7 915 km。图 20 为采用 DFB-RFL 的 DRA 技术，信号光传输7 915 km 后的光学信噪比( Optical Signal to Noise Ratio，OSNR) 和光谱图，可以看出各信道间的 OSNR 波动较小，且均 在 Q 值阈值之上。以上实验结果均表明，基于 DFB-RFL 的 DRA 技术在超长距离无中继光传输中具有较大的潜力和优势。

4 结论

光纤随机激光器经历了近十年的高速发展，研究领域涵盖了传统光纤激光器的主流方向，并在高功率/ 高效率、窄线宽、宽谱发射、分布式光放大、长距离光纤传感与通信等领域取得了突破性的进展，带动了相关领域核心技术指标的显著提升，同时也为光纤随机激光器领域的发展注入了持久的动力。

回顾过去几年光纤随机激光器整体的发展历程，其研究已经从简单的结构实现、激射特性的研究，逐渐转向更深层次的探索，如从传统商用单模光纤为主的结构开始向基于少模、多模光纤以及特种新型光纤结构的拓展; 在光纤随机激光模式特性及新机理研究方面，从早期基于受激拉曼散射、受激布里渊散射的研究，逐渐拓展到调制不稳定、二次谐波产生等非线性光学效应的研究; 进一步，关注的激射波长也从早期的近红外通信波段为主，逐渐涵盖可见光到中红外的宽波段发射。

尽管如此，光纤随机激光器的研究仍有大量值得继续深入探讨的科学技术问题。目前针对少模、多模机制下的光纤随机激光器研究尚属于起步阶段，随机激射在该领域的新特性仍有待挖掘; 光纤随机激光器的研究主要集中在连续光机制下，对于其在脉冲产生、模式锁定、孤子特性等超快领域的研究仍比较匮乏，光纤随机激光器宽谱发射、宽带反馈的特性与超窄脉冲产生之间的联系仍有待揭示和发展; 光纤随机激光器在中红外领域的发展仍相对很少，由于随机激射不受限于波长选择器件，极有利于新波段激光器的研制，且开放腔结构高功率/高效率激射的特性，对于发展高功率中红外激光器具有重要借鉴意义; 此外，光纤随机激光在超长距离传感、分布式放大、无散斑成像等应用领域仍具有很大的发展潜力和应用前景。