[技术前沿]采用新型强化技术，实现高强度激光束

用光纤激光器击毁无人机。

用射线枪击毁无人机是光纤激光器的许多潜在应用之一。如今，一项新的研究表明，科学家们已经发现了一种方法，可以在保持较高光束质量的同时，将这些激光器的功率提高约一个数量级。

光纤激光器的名字源于使用发射激光的材料，它使用的材料是掺有镱等稀土元素的光纤。光纤激光器最初用于工业切割和焊接，它能够提供相当稳定和高质量的高能量光束，在激光武器的现场试验中发挥主导作用。

“高质量的光束能够以高强度传播很长的距离，或者使用透镜聚焦到直径很小的一个点。”该研究的合著者、莫森湖南澳大学的光学物理学家史蒂芬•沃伦-史密斯（Stephen Warren-Smith）说。

沃伦-史密斯说，激光武器的目标可能包括“遥远的小物体，可能是无人机、迫击炮、火箭等。防御性激光武器有可能以较低的成本和几乎无限的（容量）快速消除威胁。这一点在廉价自主无人机数量激增的情况下尤为重要。”

强大的小型光纤激光器还有许多其他应用。基于光纤激光技术的最新进展，美国国防部高级研究计划局（DARPA）开始研究这些设备能否将功率无线传输数百公里。沃伦-史密斯说，其他潜在的应用还包括遥感、生产制造和科学研究。

获得更高功率的光纤激光器面临的一个主要障碍是原子振动。在固体材料中，原子振动以量子晶格振动的形式传播，被称为声子。

沃伦-史密斯说，当光纤中的激光功率足够强时，声子就会开始与光相互作用。这会导致光散射，不仅会限制到达目标的功率，还可能会损坏光源。

避免这种现象的一种方法是扩大光纤芯，但这会降低光的强度。不过，研究人员说，大的光纤芯通常能支持多种模式，即光波振动的不同模式。不同模式之间的干涉会导致出现光的随机斑点，降低光束的质量。

因此，科学家们大多对仅有单模的光纤进行了实验。另一方面，单模光纤本身也会造成许多挑战。例如，有些单模光纤无法卷绕成紧凑的封装，而且很容易过热。有些单模光纤已被证明难以大规模生产。总之，“光纤激光器和放大器的输出在过去几十年里没有显著进步。”沃伦-史密斯说。

在这项新的研究中，研究人员开发了一种使用多模光纤的新方法。这种新颖的策略帮助他们在不牺牲光束质量的情况下将光纤激光功率提高了3到9倍。新策略适用于连续光束和脉冲光束。

“我们尝试的方法与人们一直在尝试的方法截然不同。”该研究的合著者、耶鲁大学物理学家曹慧说。

曹慧说，在2019年的一次光子学会议上，她第一次了解到了高功率激光器在多模光纤中遇到的这个问题。她说，她认为仔细对进入光纤的光波前端整形，可能有助于克服这个问题。以往的研究表明，波前整形可以帮助控制光在材料中的行为方式，例如帮助光波更好地穿透人脑等生物组织。

“我与会上的几个人聊过，他们不太相信我，因为我是这个领域的外行。”曹慧说，“所以我组建了一个研究团队来研究这个项目。”

科学家们对进入标准多模光纤的光进行波前整形，他们说可以将输出功率提高大约一个数量级，同时可以避免以前在光纤中出现的那些有害影响。他们指出，波前整形可以同时激发光纤中的许多不同模式，提高声子与光相互作用的阈值。

“我们已经能够以一种非常精确的方式来控制光纤内部的光，修复光束的质量。”沃伦-史密斯说。

到目前为止，研究人员只表明这项新技术对无源光纤器件有效。沃伦-史密斯说，现在他们想看看它是否能在有源光纤中发挥作用，有源光纤旨在增强光在其中传播的强度，这可形成更强大的激光。

“光在有源光纤中会产生额外的影响，但我们认为这对我们的方法来说不应该是一个大问题。”曹慧说。

科学家们在2023年11月的《自然•通讯》杂志上详细介绍了他们的发现。

作者：Charles Q. Choi