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1960年，首台激光器研制成功之后，长期受限于入射光强度的非线性光学研究迎了来曙光[1]。1962年，E. J. Woodbury等首次发现受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）[2-3]。作为一种非线性光学效应，SRS效应源自光场诱导介质分子（可以是气体、液体和固体）振动产生的主动跃迁过程，是一种具有受激辐射性质的非弹性散射。虽然SRS和自发拉曼散射[4]在本质上相关，但是两者涉及的分子振动状态存在重要区别：SRS一般在高强度激光入射情况下产生，介质分子的振动特性是相干的，由此产生的拉曼斯托克斯光同样是相干的，且与介质分子的振动、入射激光的偏振、频谱等特性密切相关。然而，产生SRS效应的阈值通常比较高，相关研究在数年间进展缓慢。
1970年，贝尔实验室的E. P. Ippen利用准连续激光泵浦在纤芯为液体的光波导中首次实现了拉曼激光输出[5]；1972年，贝尔实验室的R. H. Stolen等成功研制基于全固态玻璃光纤的拉曼光纤激光器（Raman fiber lasers, RFLs），自此开启了基于SRS效应拉曼光纤激光（包括光纤激光的产生、放大）等技术研究的序幕[6]。至今，拉曼光纤激光技术已经走过了50年的发展历程，在光纤通信、光纤传感等领域得到了广泛应用。
拉曼光纤激光技术的理论模型[7-14]、激光介质材料[15-18]以及激光系统[19-26]等方面已有很多经典的文献，文中重点介绍拉曼光纤激光技术50年发展史上的重要里程碑和代表性成果，旨在呈现拉曼光纤激光发展的全貌。
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1972年1月15日，贝尔实验室的R. H. Stolen等在Applied Physics Letters上发表题为“玻璃光波导中的拉曼振荡（Raman Oscillation in Glass Optical Waveguide）”一文[6]，首次报道了利用光纤中SRS效应实现激光输出。实验系统示意图如图1所示，图中的光纤是康宁公司生产的单模全固态光纤，纤芯直径为4 μm，泵浦源是波长为532 nm的脉冲激光，对应的一阶Stokes光波长为545 nm。相比于液体和晶体，玻璃的拉曼增益要低约2个数量级，但得益于光纤中的功率密度高、作用距离长等特点，低损耗光纤的拉曼效应产生阈值同样可能比较低。实验中，分别在单程传输和谐振腔中实现了拉曼信号光输出。
同年11月，贝尔实验室的R. G. Smith在Applied Optics上发表与RFLs相关的理论文章[27]。文章通过一系列简化和近似，从功率偏微分方程分别推导出稳态或连续单频泵浦光经光纤单程传输后产生前向SRS、后向SRS和受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）效应的阈值近似公式，分别为：
$$ P^{forward}_{SRS}=16(A\alpha _{p}/\gamma _{0}) $$ (1) $$ \begin{split} \\ P^{backward}_{SRS}=20(A\alpha _{p}/\gamma _{0}) \end{split} $$ (2) $$ P_{SBS}=21(A\alpha _{p}/\gamma _{0}) $$ (3) 上述三个公式形式相同。A为纤芯面积，αp为泵浦光纤损耗，γ0为增益常数。对于纤芯面积为10−7 cm2、光纤损耗为20 dB/km的光纤，估算的前向SRS阈值和后向SBS阈值分别为1 W和35 mW。文章讨论了限制单频泵浦光纤激光功率的主要因素（SBS）；对于宽带泵浦（纵模较多，线宽较宽），SBS的增益系数下降，此时SRS将成为限制功率的主要因素。
1972年发表的两篇文章分别奠定了拉曼光纤激光技术的实验与理论基础，揭示了SRS效应既能成为激光产生与放大的新途径，也会成为光纤激光功率的限制因素。在Web of Science数据库中检索，迄今为止，上述两篇论文的引用次数分别超过600次和800次，已经成为光纤激光甚至是整个激光技术领域的代表性经典文献。
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在20世纪70年代，人们在研究光纤中的SRS效应研究的同时，还研究了其他类型的光纤非线性效应，如SBS效应[6]、四波混频[28]、自相位调制[29]、光孤子[30]以及克尔效应[31]等。由于研究条件的限制，当时仅有少数机构开展了光纤非线性效应的研究。其中，起始阶段的研究集中在贝尔实验室，主要由Roger H. Stolen等负责。在1972年首个RFLs公开报道之后，贝尔实验室的研究人员基于康宁公司研制的单模光纤首次定量分析了光纤中的拉曼增益[32]。此后，光纤技术本身得到了有力发展，如Murray-Hill实验室开始拉制硅基光纤、渐变折射率（graded index, GRIN）多模光纤等。基于上述光纤，研究人员将研究内容扩展至光纤中的拉曼增益谱测量[33]、反向SRS脉冲的脉冲整形[34]等。1976年初，加拿大通信研究中心报道了首台连续波运行的RFL，进一步提高了研究人员的兴趣[35]；同年年底，贝尔实验室和加拿大通信研究中心通过在激光腔中插入棱镜，成功研制连续波可调谐RFLs[36-37]。随后，研究人员又相继报道了基于级联泵浦结构的RFLs[38]、复杂谐振腔结构RFLs[39-40]以及近红外波段（1 µm）的RFLs[41-42]。图2 给出了早期级联RFLs结构以及典型多阶拉曼输出光谱。
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尽管在早期的研究中，人们已经关注到SRS效应在光通信领域的应用潜力，直到1983年相关研究才逐渐开展[43-46]。相比于掺铒光纤放大器（Erbium Doped Fiber Amplifier, EDFA），基于SRS效应的拉曼光纤放大器（Raman fiber amplifier，RFA）具有以下几个方面的的优势[47]：
（1）不依赖稀土元素掺杂，普通的无源光纤即可用于产生增益。这使得RFA与大多数通信系统兼容，通信传输光纤可以复用，既可以用作传输介质，也可以用作增益介质。
（2）波长灵活性。原则上可以在光纤低损耗传输谱（范围约为0.3~2 µm）中的任意波长产生拉曼增益。
（3）拉曼增益谱宽，可以同时放大波分复用系统中的多个信道。
（4）拉曼增益响应快速，在高比特率系统中，可以放大整个比特流而不产生任何失真。
（5）利用反向泵浦有利于降低噪声系数。
尽管如此，在当时，RFA的发展还是遇到了挑战：缺乏高功率、高效率光纤耦合输出的泵浦激光器。研究结果表明，RFA所需泵浦功率约为EDFA泵浦功率的5倍[19]。正因如此，1988年之后，光纤通信的研究集中到EDFA方向，RFA的研究较少得到关注。不过，RFLs和RFA研究还是取得了许多重要进展，包括：1988年，研究人员报道了首个基于光纤布拉格光栅的FRLs[48]；同年，面向光通信系统实际应用，研究人员开始关注分布式RFA的性能优化问题[47]。值得关注的是，同样是1988年，双包层光纤问世，巧妙地解决了泵浦光功率受限于光纤纤芯耦合效率这一难问题[49]；一年之后，J. Kafka首次提出了激光二极管（laser diodes, LD）包层泵浦的光纤激光器[50]。
与常规RFA的研究较少得到关注形成对比的是，自1983年首次实验观测到拉曼孤子[51]后，80年代后期，拉曼孤子激光器相关理论与实验成为当时的研究热点。1986年，汉诺威大学量子光学研究所F. M. Mitschke等首次在实验中观察到可用于产生拉曼孤子的拉曼诱导频移[52]；1987年，贝尔实验室M. N. Islam等报道了首个单级、级联拉曼孤子光纤激光器[53-54]，并在1.4 µm附近产生100 fs的拉曼脉冲[55]。
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光纤和半导体技术是光纤激光技术发展的重要基础。20世纪90年代，研究人员报道使用高功率LD包层泵浦双包层光纤，实现光纤激光器约35 W的功率输出 [56-57]，为拉曼光纤激光技术研究所需的高亮度泵浦源提供了解决方案。随后，基于不同光纤的单级以及级联RFLs相继问世，RFL的发展迎来新的转机。
20世纪90年代，由于泵浦EDFA等领域的应用需求，基于锗硅酸盐和磷硅酸盐光纤的级联RFLs得到了迅速发展[58-60]。2000年发表的一篇综述论文[61]对此前RFLs相关领域研究进行了总结，主要成果包括：光谱波段在1.1~1.6 μm、单模输出功率1~10 W、激光光谱带宽~1 nm、产生效率接近50%等。此外，由于泵浦能力的迅速提升，RFA在光通信领域的应用优势与潜力再次得到研究人员的关注，发表了大量的研究论文；2003年，密歇根大学课题组的Mohammed Islam将相关研究汇总成了两卷[62]。根据不同的应用需求，RFA逐渐发展为分布式放大器和离散式放大器两类。其中，分布式RFA的主要特点是将传输光纤直接作为放大器增益光纤，信号增益产生于整个传输过程（数10 km），因此输入信号功率较低，有利于减少非线性效应影响，并可以容忍较高的损耗。为进一步避免泵浦光和信号光之间的不必要的串扰，反向分布式RFA逐渐成为主流[63-64]。
离散式RFA与分布式RFA不同，它是独立于传输光纤的光放大装置（同EDFA类似），传输光纤中没有泵浦光，仅使用在信号传输之前或之后用来补偿传输损耗。相比于EDFA，离散式RFA能够获得超宽带宽增益，增加光纤网络的容量，拓展放大波长范围，在放大密集波分复用（Wavelength division multiplexing, WDM）系统中的应用潜力巨大。1999年，美国新泽西州伊顿镇泰科潜艇有限公司实验室H. Kidorf等将多波长和宽带泵浦方式应用于离散RFA，实现了覆盖近100 nm信号波段的平坦化拉曼增益[65-66]。同期，日本Fitel光电实验室Y. Emori等还提出了色散补偿RFA概念，通过直接在色散补偿光纤中产生拉曼增益，能够同时实现色散补偿和拉曼放大，为降低色散补偿光纤模块的插入损耗提供了解决途径[67-68]。图3 分别给出了1980~2000年OSA和IEEE发表EDFA以及RFA相关的论文以及申请专利数量统计以及1994~2003年OFC会议传输实验的容量-距离乘积（单位：Tb·km/s）。可以看出，拉曼光纤放大器的性能在90年代得到了全面的提升，将其应用于光纤通信逐渐成为可能。
图 3 (a) 1980~2000年OSA和IEEE发表EDFA以及RFA相关的论文以及申请专利数量统计[69]；(b) 1994~2003年OFC会议的传输实验的容量-距离乘积[69]
Figure 3. (a) Statistics of papers and patent applications related to EDFA and RFA published by OSA and IEEE from 1980 to 2000[69]; (b) Capacity distance product of transmission experiment of OFC Conference from 1994 to 2003[69]
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进入21世纪，光纤通信技术突飞猛进，RFA在光纤通信领域得到了广泛应用，逐渐发展为常规商用化器件，几乎每一个长距离(一般定义300~800 km)或超长距离(一般定义在800 km以上)的光纤传输系统都使用RFA。2008年，研究人员通过在C+L波段采用160个WDM信道（信道间距为50 GHz），在240 km的传输距离上演示了25.6 Tb/s的通信传输实验[70]。同一时期，作为实现窄线宽激光的重要技术手段之一，分布反馈（Distributed Feedback, DFB）光纤激光器取得重要进展，它的基本原理是利用SRS提供增益、利用π-相移光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）提供分布反馈。2001年，密歇根大学课题组的Perlin和Winful首次提出在DFB光纤激光器中使用拉曼增益，取代稀土离子增益，成功将π-相移FBG刻写在无源光纤中，实现窄线宽拉曼激光输出[71]。2009年，南安普顿大学课题组的Hu等将拉曼DFB光纤激光器中的π-相移FBG长度缩短至20 cm以内，通过优化相移宽度和位置，激光器的阈值可以低于1 W，斜率效率大于80%[72]。
与此同时，RFLs在光谱拓展以及功率提升方面也得到了飞速发展。在光谱拓展方面，研究人员实现了在不同波段的超宽调谐范围的RFLs。其中，俄罗斯科学院的Babin等报道了基于磷酸盐光纤的全光纤可调谐RFLs，调谐范围超过50 nm，输出功率达到3.2 W，在1258~1303 nm范围内，输出功率几乎恒定[73]。拉瓦尔大学E. Bélanger等实现了连续调谐超过60 nm（1075~1135 nm）的宽带可调谐全光纤RFLs，输出功率高达5 W[74]。此外，在大于1.5 µm的光谱波段，以硫系玻璃为代表的软玻璃材料光纤逐渐在产生拉曼激光方面得到应用。2003年，SFA公司P. A. Thielen等基于硫系玻璃首次实现1.8 µm波段的拉曼激光输出[75]；2006年，悉尼大学光纤技术中心S. D. Jackson等首次基于该类型光纤实现2 µm以上波段的一阶和二阶拉曼激光输出[76]。在功率提升方面，早期研究为了提高纤芯中的功率密度，充分激发SRS增益，一般采用纤芯泵浦单模光纤方式，输出功率通常为数十瓦量级，主要面向通信、传感等方面的应用。2009年，欧洲南方天文台的Yan Feng等采用振荡器结构（实验结构如图4所示），将纤芯泵浦RFLs输出功率提升至153 W，转换效率高达85%。该结果标志着RFLs迈入了百瓦量级时代[77]。然而，纤芯泵浦RFLs的功率提升受限于泵浦能力、高阶拉曼光的产生、光谱展宽（回光增强）等因素的影响。因此，研究人员相继提出了包层泵浦双包层光纤以及纤芯泵浦GRIN光纤等增强拉曼激光亮度的方式。得益于有效的亮度增强（Brightness Enhancement, BE）技术，RFLs在低亮度泵浦下仍然能够保持输出拉曼激光光束质量，在获得高功率近衍射极限激光方面具有较大的发展潜力。
2002年，英国南安普顿大学的J. Nilsson等率先提出了双包层拉曼光纤的理念，在内包层中传输的低亮度泵浦光可以通过纤芯中的SRS逐渐被转换为高亮度的纤芯光，最终实现亮度增强[78-79]。2006年，该课题组利用包层泵浦方式获得了10 W的拉曼激光输出，光束质量M2因子由4.8（泵浦光）提升至1.2（信号光），亮度增强了9.6倍[79]。2004年，美国莱特帕特森空军基地的Baek等人报道了首台基于GRIN光纤的RFLs，光束质量M2因子为1.66，最高输出功率为800 mW[80]。2007年，美国空军研究实验室的N. B. Terry等通过理论计算指出基于GRIN光纤的RFLs中存在的光束净化效应，相比高阶拉曼光而言，基模拉曼光与泵浦光之间的重叠因子更高，因此，基模拉曼光具有更高的拉曼增益、更容易被激发[81]。
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自2010年起，得益于快速发展的掺镱光纤激光（Yb-doped Fiber Lasers, YDFLs）技术和相关亮度增强技术，高功率RFLs的研究取得了一系列重要进展。输出功率从数十瓦提升至数千瓦量级，并实现了常规宽带和窄线宽激光、近红外和中红外、相干和部分相干激光等不同类型的激光输出。2017年的两篇代表性综述文章[21-22]对在此之前的研究成果进行了详细的汇总介绍；2019年的综述文章[23]详细介绍了RFLs中亮度增强技术的相关研究，并指出RFLs在输出高功率、近衍射极限激光方面具有巨大潜力。截至2021年，基于纯无源光纤的RFLs已经实现3 kW级功率输出[82]，基于掺镱-拉曼混合增益的拉曼激光已经实现了4 kW级功率输出[83]。值得注意的是，高功率RFLs的光束质量通常相对较差（M2为2以上），如何通过优化结构参数实现高光束质量输出仍是未来发展亟需解决的关键问题。此外，在光纤通信领域，基于分布式级联RFA已经实现了两个模式信号的同步放大[84]。在上海交通大学J. Li等报道的实验中，1360 nm和1455 nm的泵浦光都以LP11模注入少模光纤，在1542~1558 nm的信号频段内，LP01和LP11模式均实现了4 dB的最大开关增益，并且差模增益小于0.4 dB。由此可见，RFA在未来高容量模分复用光通信系统中也具有较大应用潜力[84]。
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由泵浦光纤激光器、高反射率FBG、拉曼增益光纤和输出耦合FBG组成的振荡器结构是RFL最为经典的结构。表1和图5分别展示了近年来高亮度激光输出的拉曼振荡器的功率发展趋势。目前，基于振荡器结构输出的RFLs最高功率是以色列索克雷核研究所的Glick等于2018年报道的1.2 kW级RFLs，所用拉曼光纤为特殊设计的三包层光纤(纤芯、内包层、外包层直径分别为25 μm、45 μm与250 μm)[85]，1 kW输出功率下光束质量M2因子为2.75，亮度提升倍数约为7。2017年，俄罗斯科学院Babin等通过在纤芯为62.5 μm的多模GRIN光纤中刻写光栅，将GRIN光纤光束净化效果与光栅选模特性相结合，报道了首个基于GRIN光纤的全光纤化RFLs，实现了50 W的拉曼激光输出，光束质量M2因子由泵浦光的26提升至信号光的2.6，对应的激光亮度提升了25倍2.6，对应的激光亮度提升了25倍[94]；次年，该课题组将GRIN光纤纤芯增加至100 μm，从而进一步提高注入泵浦功率，实现了62 W拉曼激光输出，光束质量M2因子由泵浦光的30提升至信号光的3，亮度提升了30倍[97]。2021年，该课题组通过优化实验结构进一步提升了激光器输出光束质量，最高输出功率为52 W时，光束质量M2因子由泵浦光的34提升至信号光的2，对应的亮度增强因子为73，为目前公开报道的GRIN光纤激光器中的最高亮度增强因子[99]；同年，该课题组通过在相似的结构中采用级联泵浦的方式获得了最高输出功率为12 W的近衍射极限的拉曼激光输出，最高功率下的光束质量M2因子为1.3[100]。国防科技大学课题组的Chenchen Fan等基于GRIN光纤搭建了全光纤结构的RFLs，实现了443 W的激光输出，对应光束质量M2为3.5，亮度提升倍数为4.2[101]，为目前同类型激光器的最高输出功率值。
表 1 近年来拉曼光纤振荡器的研究进展
Table 1. Research progress of Raman fiber oscillator in recent years
Years Research institute Power
/WM2
in/outEfficiency BE Wavelength
/nmReferences 2004 Wright Patterson Air Force Base 0.8 7/1.6 6% 1 1 116 [80] 2006 University of Southampton 10.2 4.8/1.2 48% 9.6 1 660 [79] 2009 European Southern Observatory 153 — 85% — 1 120 [77] 2010 OFS Laboratory 81 — 32% — 1 480 [86] 2010 European Southern Observatory 100 2/>1.6 62.5% 0.9 1 120 [87] 2013 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 3 — 35% — 980 [88] 2013 National University of Defense Technology 119 — 82% — 1 173 [89] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 12.3 3.2/1.46 82.7% 2.2 1 658 [90] 2015 University of Southampton 6 22/1.9 9% 9.6 1 120 [91] 2015 University of Southampton 19 22.2/5 48% 5.3 1 019 [91] 2016 Soreq Nuclear Research Center 80 14/5.6 53% 3.5 1 020 [92] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 10 20/1.2 15.4% 40 954 [93] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 17 — 19% — 954 [94] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 50 26/2.6 27% 25 954 [94] 2017 Soreq Nuclear Research Center 154 19.0/8 65% 3 1 020 [95] 2018 Soreq Nuclear Research Center 135 7.6/2.5 68% 5.6 1 081 [96] 2018 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 62 30.0/3 30% 25 954 [97] 2018 Soreq Nuclear Research Center 250 8.4/3.3 60% 3.6 1 080 [98] 2018 Soreq Nuclear Research Center 1 200 8/2.75 85% 7 1 120 [85] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据 
图 5 近年来拉曼振荡器的输出功率增长趋势
Figure 5. Output power development of Raman fiber oscillator in recent years
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主振荡功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA)结构能够缓解FBG等光纤器件对热损伤阈值与功率损伤阈值的要求，其在RFLs中的运用能够大幅提升输出功率。此外，在RFLs中采用MOPA结构，后向回光远低于振荡器结构，有利于降低后向回光对泵浦激光器的影响。表2和图6分别展示了近年来RFA的输出功率水平。
表 2 近年来高功率拉曼光纤放大器的研究进展
Table 2. Research progress of high-power RFA in recent years
Years Research institute Power
/WM2
in/outEfficiency BE Wavelength
/nmGain type References 2002 University of Southampton 0.05 4.4/— 36% 17.5 1 069 Raman [78] 2012 Jena University 208 —— 87% —— 1 118-
1 130Raman [103] 2013 OFS Laboratory 301 —— 64% —— 1 480 Raman [104] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 300 —— 70% —— 1 120 Yb-Raman [105] 2014 Beijing University of Technology 14.3 —— 38.5% —— 2 147 Raman [106] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 1 280 —— 70% —— 1 120 Yb-Raman [102] 2014 National University of Defense Technology 732 —— 82.2% —— 1 120 Yb-Raman [107] 2015 National University of Defense Technology 1 520 —— 75.6% —— 1 120 Yb-Raman [108] 2016 Tsinghua University 3 890 —/1.49 70.9% —— 1 123 Yb-Raman [83] 2018 National University of Defense Technology 528 10.4/4.2 68% 3.8 1 060 Raman [109] 2019 National University of Defense Technology 1 002 9.2/5.1 84% 2.6 1 060 Raman [110] 2019 Tsinghua University 3 700 —/2.18 —— —— 1 123 Yb-Raman [111] 2020 National University of Defense Technology 762.6 6.12/2.24 25% 2.35 1 130 Raman [112] 2020 National University of Defense Technology 2 087 ~13.5/8.9 59.33% —— 1 130 Raman [113] 2021 National University of Defense Technology 2 034 10.5/2.8 79.35% 11.2 1 130 Raman [114] 2021 National University of Defense Technology 3 083 ~11/5.72 78.7% 2.9 1 131 Raman [82] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据 
图 6 近年来高功率拉曼光纤放大器的输出功率发展
Figure 6. Output power scaling of high-power RFA in recent years
目前，光纤放大器的最高输出功率是基于掺镱-拉曼混合增益机制产生的。2014年，中国科学院上海光学精密机械研究所的Lei Zhang等首次提出该类型的激光器，并实现了1.3 kW高功率输出 [102]。实验结果如图7所示，信号光和泵浦光被耦合进入掺镱光纤中，通过增加掺镱光纤或者无源光纤的长度，在同一放大级实现泵浦光的放大和拉曼转换。随后，国防科技大学、清华大学等研究机构继续探索掺镱-拉曼混合增益的功率提升潜力，先后实现了1.5 kW和3.89 kW的拉曼激光输出[83, 108]。
然而，上述机制的激光器泵浦方式本质上还属于纤芯泵浦。从拉曼增益产生的过程来看，未能实现从泵浦光到信号光的亮度提升。为进一步探索基于光纤SRS效应的亮度提升潜力，研究人员开始使用具有光束净化效果的GRIN光纤以产生高亮度拉曼激光。近年来，国防科技大学课题组分别基于纤芯泵浦多模GRIN光纤以及包层泵浦三包层光纤等新型技术手段对高功率RFA开展了系列研究。2018年，Yizhu Chen等采用MOPA方案搭建了基于GRIN光纤的全光纤结构RFA[109]，实现了528 W的拉曼激光输出，光束质量M2因子由泵浦光的10.4提升为信号光的4.2，对应的亮度提升倍数为3.8。随后三年内，进一步将该类型放大器的输出功率逐渐提升至1 kW、2 kW以及3 kW量级，对应的光束质量M2因子分别为5.1、2.8、7.2（由此计算出输出拉曼激光亮度分别提升了2.6倍、11.2倍以及2.9倍），是目前公开报道基于纯拉曼增益的最高输出功率值[82, 110, 113-114]。2021年，国防科技大学课题组的Chenchen Fan等通过优化泵浦时域的方式有效抑制高阶拉曼光的产生，进一步提升了光束质量，基于GRIN光纤实现了光束质量M2为1.6的千瓦级拉曼激光输出[115]，相关实验结构和实验结果如图8所示。此外，国防科技大学课题组的Yizhu Chen等还基于纤芯/内包层/外包层直径为31 μm/55 μm/360 μm的三包层光纤，搭建了首个全光纤结构的包层泵浦RFA，实现了762.6 W的拉曼激光输出，光束质量M2为2.24。
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光谱是激光的一个重要特性。近年来，波长捷变和中心波长拓展也是RFL发展呈现的重要特点。2012年，德国耶拿大学的Rekas等基于空间结构搭建了RFA，对1118~1130 nm光谱范围可调谐的种子进行放大，获得了最大功率208 W的可调谐拉曼激光，对应的拉曼转换效率为87%[103]。2013年，OFS实验室的V. R. Supradeepa等利用W形折射率分布的光纤（W形折射率分布拉曼光纤具有滤波特性、能够有效抑制1500 nm以上的高阶拉曼产生）搭建了全光纤结构的级联RFA，实验结构如图9所示[104]，获得了1480 nm的拉曼激光输出，功率301 W，拉曼转换效率为64%（1117~1480 nm），~43% （975~1480 nm）。同年，国防科技大学课题组的Hanwei Zhang等基于75 m纤芯包层直径分别为10/125 μm的无源光纤搭建了全光纤结构的RFLs，通过优化设计FBG的反射率及反射带宽等参数，获得了中心波长为1173 nm的激光输出，功率119 W，拉曼转换效率为82%[89]。
2018年，中国科学院上海光学精密机械研究所的Lei Zhang等通过优化泵浦时域的方式，基于随机分布式反馈拉曼光纤激光器(Random Distributed Feedback Raman Fiber Laser, RRFL)实现了1.1~1.8 μm的超宽光谱范围的级联拉曼激光输出，在1 806 nm处的9阶斯托克斯光功率超过100 W[116]。2019年，印度科学研究所的V. Balaswamy等利用放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）光源泵浦RRFL以进一步降低泵浦时域起伏，实现了超高光谱纯度级联拉曼光输出，高阶拉曼波长分别为1390 nm和1480 nm，光谱纯度分别为98%和97.5%[117-118]。
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高功率可见光在激光导星自适应光学系统等领域有重要需求[119]。由于RFLs在很宽范围的近红外波段均能实现高功率输出，对其进行倍频以获得高功率可见光已经成为相关技术领域的研究热点。2004年，日本电气通信大学激光研究中心的Yan Feng等首次通过倍频拉曼光纤激光实现了589 nm激光输出[119]。实验结构如图10所示，泵浦源是波长为1100 nm的双包层掺镱激光器，利用300 m长的掺磷单模光纤作为增益介质实现1178 nm波段激光，在腔外通过三硼酸锂晶体倍频，实现 589 nm激光输出。
此后，科研人员采用类似结构相继实现了477 nm[120]、488 nm[120]、560 nm[121]、620 nm[122]和655 nm[123]等波长的可见光激光。2019年，俄罗斯科学院A. G. Kuznetsov等利用LD泵浦GRIN RFLs，在488 nm得到处0.4 W的激光输出[120]，发现与直接用938 nm的LD泵浦所产生的一阶976 nm激光相比，采用915 nm 的LD泵浦产生的二阶拉曼光(976 nm)具有更好的光束质量和更窄的光谱。2019年，伦敦帝国理工学院A. M. Chandran等报道了利用掺磷光纤RFA倍频实现的620 nm激光纳秒脉冲输出，输出功率1.5 W[122]。2021年，中国科学院上海光学精密机械研究所的Shuzhen Cui等利用反向泵浦和窄线宽的FBG抑制RRFL的光谱展宽，实现了1.09 W的589 nm倍频激光输出，倍频效率10.8%[124]；同年，该课题组采用级联拉曼嵌套腔结构，获得了10.19 W的589 nm激光输出，效率达18.12% [125]。
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拉曼光纤激光技术的波长灵活性使得它为特殊波长高功率泵浦源提供了新的解决方案。基于RFL产生特殊波段的激光作为泵浦源的泵浦高功率掺铒光纤激光器（Er-doped fiber lasers, EDFLs）[126]、掺铥光纤激光器(Tm-doped fiber lasers, TDFLs)[127]、掺钬光纤激光器(Ho-doped fiber lasers, HDFLs)[128-130]均已有相关报道。
2006年，悉尼大学光纤技术中心S. D. Jackson等将1160 nm输出的RFLs用于泵浦HDFLs[128]，可以展现RFLs作为泵浦源的潜力。2012年，OFS实验室V. R. Supradeepa等将输出波长为1480 nm的RFLs用于泵浦EDFLs[126]，在1554 nm得到101 W输出，斜率效率达75%。2014年，国防科技大学课题组的Xiong Wang等首次将1150 nm的RFLs用于泵浦2 μm波段的高功率HDFLs[129]（实验结构如图11所所示），最终在2 049 nm附近获得了42 W激光输出，且信噪比大于30 dB。同年，该课题组利用两个波长为1 173 nm的RFLs泵浦TDFLs，在1943.3 nm波长处获得了96 W的激光输出[127]。2015年，国防科技大学课题组的Hanwei Zhang等首次利用RRFL泵浦HDFLs，获得了23 W的2 050 nm波长的激光输出[130]。
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2010年，英国阿斯顿大学课题组的Turitsyn等首次系统提出RRFL[131]的概念，分别利用长距离无源光纤中的瑞利散射和SRS提供随机分布式反馈和增益放大，从而实现随机拉曼激光输出。与常规振荡器结构的RFLs相比，RRFL多为开腔结构，这结构上更加简单、输出激光时序上更加稳定[132]。此外，该类型激光器也具有输出波长灵活的特点。因此，RRFL被广泛地运用在测量、成像以及通信等各个领域[133-138]。近年来，RRFL的研究和应用引起国内外同行的广泛关注，在功率提升方面取得了较大进展，相关结果如表3和图12所示。
表 3 近年来RRFL的研究进展
Table 3. Research progress of RRFL in recent years
Years Research institute Power
/WEfficiency Wavelength
/nmReferences 2010 Aston University 0.15 — 1 550 [131] 2015 National University of Defense Technology 124 79% 1 146 [130] 2017 National University of Defense Technology 27 — 996 [139] 2017 National University of Defense Technology 491 — 1120 [140] 2018 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 100.1 38.4%/27.2% 1 000-1 900 [116] 2019 National University of Defense Technology 985 78.9% 1 150 [141] 2021 National University of Defense Technology 1 570 77.5% 1 120 [142] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据 2015年，国防科技大学课题组的Hanwei Zhang等基于320 m纤芯/包层直径为10/125 μm的传能光纤搭建了全开腔结构的RRFL，获得了百瓦级随机拉曼的激光输出[130]。2019年，该课题组通过使用90 m长、纤芯直径为20 μm的无源光纤作为增益介质（可注入泵浦功率和高阶拉曼阈值得到有效提升），激光器输出功率进一步提升至千瓦水平[141]。目前，RRFL的最高输出功率已经达到1.5 kW[142]，相关实验结构如图13所示。研究人员采用采用2 kW泵浦激光过对一段长50 m、纤芯/包层直径为20/400 μm的传能光纤进行泵浦，获得了1.5 kW随机拉曼激光输出，对应的转换效率为77.5%，拉曼抑制比为58.4 dB。
需要注意的是，由于瑞利散射提供的反馈非常微弱，为了降低激光器阈值，上述研究均采用纤芯泵浦常规的阶跃折射率光纤，输出激光亮度无增强效果。2017年，俄罗斯科学院Babin等首次基于GRIN光纤搭建了全光纤结构的RRFL（实验结构如图14所示），通过级联泵浦的方式实现了27 W、中心波长为996 nm的具有亮度增强的RRFL输出，光束质量M2因子为1.6[139]。2021年，国防科技大学课题组的Yizhu Chen等基于一段长120 m、纤芯直径为62.5 μm 的GRIN光纤搭建了全光纤结构的RRFL，实现了输出功率306 W的RRFL输出，光束质量M2由泵浦光的9.25净化至2.35，对应亮度提升倍数为6.1。该结果也是目前GRIN光纤RRFL的最高输出功率值[143]。
图 12 近年来RRFL的输出功率增长趋势
Figure 12. The trend of output power of RRFL in recent years
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2～5 μm波段中红外激光在生物医学、光谱特征识别、大气遥感、激光雷达、国防等领域有着重要应用。基于软玻璃光纤中的SRS是实现该波段激光的一种有效手段。2007年，加拿大拉瓦尔大学V. Fortin等采用0.8 μm飞秒激光器在氟化物光纤中成功写入FBG[144]；2011年，课题组基于氟化物光纤FBG搭建全光纤结构法布里-珀罗（Fabry Perot, F-P）腔，并利用TDFLs进行泵浦，获得了波长为2.19 μm、功率为0.58 W的拉曼激光输出[145]，这是首个以氟化物光纤为增益介质的RFLs。2012年，课题组利用更高功率TDFLs进行泵浦，并在末端增加一个在泵浦波长高反的FBG对系统进行了优化，实现了功率为3.7 W的拉曼激光输出，波长为2.2 μm[146]。2013年，加拿大拉瓦尔大学M. Bernier等报道了在硫系光纤中刻入多个FBG构成低损耗F-P腔的RFLs方案[147]。泵浦源是3.01 μm的准连续掺铒氟化物光纤激光器，输出的信号光为3.34 μm，最大平均功率为47 mW，对应的峰值功率为0.6 W；2014年，课题组再次采用F-P腔结构实现两级级联RFLs（泵浦波长仍为3.01 μm），级联拉曼频移产生的二阶拉曼激光波长为3.77 μm，最大平均功率为9 mW，对应峰值功率为112 mW，这是迄今为止在RFLs中获得的最长波长[148]。
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研究人员还将典型的短脉冲产生技术（如调Q、增益开关、锁模和同步泵浦等）应用于RFLs，以实现波长灵活的（超）短脉冲激光[149]。2013年，西班牙纳瓦拉公立大学Bravo 等首次报道了基于主动调Q技术的RFLs，获得了持续时间为 ~1 ns 的稳定拉曼脉冲序列[150]。2015 年，江苏师范大学Yao等采用纳秒调Q光纤激光器泵浦脉冲RFA，实现了最小持续时间为123 ns的稳定拉曼激光脉冲序列[151]。与泵浦脉冲相比，获得的拉曼激光脉冲宽度大大减小，这表明增益开关技术是在RFLs中获得纳秒拉曼脉冲的有效方法。此外，锁模技术也已经在RFLs中得到广泛应用，如基于光调制器的主动锁模[152-153]、基于可饱和吸收体的被动锁模[154-155]以及其他新型被动锁模技术[156-158]。近年来，基于同步泵浦技术的脉冲RFLs研究发展迅速，包括使用光延迟线和光纤展宽器[159-161]，调整泵浦源的脉冲参数[162-165]和脉冲RRFL等[166]。
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对多束激光进行合束是获得更高功率激光输出的通用技术手段。典型的拉曼激光合束系统结构如图15所示，常通过将多个高功率光纤激光器泵浦源与高光束质量的拉曼激光种子源通过泵浦/信号合束器耦合进同一根拉曼光纤，从而实现高功率高光束质量拉曼激光输出。系统中拉曼光纤可以是多模GRIN光纤、也可以是多包层光纤，利用光纤中的拉曼转换过程将种子源功率放大，并实现高光束质量、高功率的拉曼激光输出。与经典的激光相干合成结构相比，上述系统不需要对各路激光进行相位锁定；与光谱合成相比，采用该拉曼激光合束后的激光仍为单波长激光[22]。
此外，由于拉曼光纤激光具有波长灵活、增益带宽宽等优势，原则上可以通过级联拉曼频移产生1~2 μm光谱范围内任意波长的高功率激光。因此其可以大幅度提高参与光谱合成的激光束数量，在光谱合成方面同样潜力巨大[167]。由于可选择的激光波长范围很宽，基于拉曼光纤激光的光谱合成方案可以摒弃对激光线宽要求较高的衍射光学元件，而是采用基于干涉原理的双色镜进行光谱合束，降低合成子束的线宽要求，允许采用更高功率的宽带激光进行合束，进而有利于提升合束的激光功率[22]。
图 15 拉曼激光合束概念示意图
Figure 15. Concept diagram of Raman laser beam combining
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飞速发展的LD可以用于直接泵浦RFLs，相关系统具有电光效率高、系统集成度高、无光子暗化、功率提升潜力大等特点[91, 168]。俄罗斯科学院Babin等基于LD直接泵浦的方式已经实现了数十瓦量级高光束质量拉曼激光输出，亮度提升倍数高达73倍，展示出LD直接泵浦与RFLs中的亮度增强效应结合将带来“性能倍增”的效果[99]。然而，由于RFLs中的拉曼增益要求，泵浦源需具有较高亮度，功率提升受制于高亮度LD泵浦源。在此情况下，可以通过研制特殊结构或特种材料的拉曼光纤（如锥形光纤、折射率沟壑光纤）实现高阶模式以及高阶拉曼的滤除等方式加以解决[169-170]。
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目前，高功率光纤激光器中SRS与模式动力学以及其他非线性效应相互作用的机理也成为理论研究的前沿。主要研究内容包括掺镱-拉曼混合增益光纤放大器中的模式动力学、高功率RFA中模式不稳定性(Transverse Modal Instability, TMI)等。2020年，德国耶拿大学的Victor Distler等首次在实验上观察到掺镱-拉曼混合增益光纤放大器输出光束质量退化以及TMI现象，通过对输出光斑进行傅里叶变换以及模式分解，发现无源光纤中的TMI阈值低于掺镱光纤，且TMI导致的后向散射又将降低掺镱光纤中的TMI阈值[171]。国防科技大学课题组的Hanwei Zhang等在掺镱-拉曼混合增益光纤放大器中也观察到了光束质量退化现象，并分析了泵浦模式成分对光束质量的影响[172]。美国空军实验室的Shadi Naderi等在理论上分析了RFA中TMI主要来源于泵浦与信号同时引起的折射率调制，取决于热负载，且与光纤长度、泵浦方向等无关[173]。国防科技大学课题组的Wei Liu等对RFA中四波混频效应与二阶拉曼阈值进行了理论研究，提出通过采用时域稳定泵浦光提高二阶拉曼阈值的新思路[174]。
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经过50年的发展，拉曼光纤激光充分展现了在功率提升、波长捷变和宽带可调等方面的特点，在通信传感、先进制造和科学研究中得到了广泛应用。随着半导体行业的发展、光纤设计能力和制备工艺的提升以及相关基础研究的不断深入，拉曼光纤激光将会朝着更高功率、更宽光谱范围、更高效率、可多调控维度等方向发展，并继续在经济社会发展、前沿科学研究和国家安全等领域得到应用。
50th anniversary of Raman fiber laser: History, progress and prospect (Invited)
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摘要: 自1972年Roger H. Stolen等人首次基于受激拉曼散射效应在玻璃光纤中实现激光输出以来，拉曼光纤激光技术已经走过了50年的发展历程。文中首先分阶段呈现拉曼光纤激光的发展历程，介绍具有里程碑意义的经典文献和重要技术突破，勾勒出拉曼光纤激光发展的概貌。其次根据拉曼光纤激光的研究现状，整理具有代表性的最新成果；介绍随机分布式反馈拉曼光纤激光、中红外拉曼光纤激光和超快激光等最新研究热点。最后梳理拉曼激光合束、半导体激光直接泵浦和非线性效应耦合新机制等方面的发展趋势。Abstract: The Raman fiber laser (RFL) has been developed for 50 years since the first laser generation in fiber based on stimulated Raman scattering in 1972 by Roger H. Stolen. Firstly, the development history of RFL was presented in stages. Through the introduction on classic milestone literatures standing for the significant technological breakthroughs, the general picture of the development of Raman fiber laser technology could be formed. Secondly, based on the recent status of RFL, the representative advanced achievements were selected, together with the novel research hotspots on the random distributed feedback Raman fiber lasers, middle-infrared Raman fiber lasers and ultra-fast fiber lasers. Finally, the future prospects of RFL were discussed, including the laser beam combination, laser diode directly pumped RFL and new mechanism on interactions among fiber nonlinear optics.
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Key words:
- stimulated Raman scattering /
- Raman fiber laser /
- nonlinear effects /
- power scaling /
- beam quality
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图 3 (a) 1980~2000年OSA和IEEE发表EDFA以及RFA相关的论文以及申请专利数量统计[69]；(b) 1994~2003年OFC会议的传输实验的容量-距离乘积[69]
Figure 3. (a) Statistics of papers and patent applications related to EDFA and RFA published by OSA and IEEE from 1980 to 2000[69]; (b) Capacity distance product of transmission experiment of OFC Conference from 1994 to 2003[69]
图 5 近年来拉曼振荡器的输出功率增长趋势
Figure 5. Output power development of Raman fiber oscillator in recent years
图 6 近年来高功率拉曼光纤放大器的输出功率发展
Figure 6. Output power scaling of high-power RFA in recent years
表 1 近年来拉曼光纤振荡器的研究进展
Table 1. Research progress of Raman fiber oscillator in recent years
Years Research institute Power
/WM2
in/outEfficiency BE Wavelength
/nmReferences 2004 Wright Patterson Air Force Base 0.8 7/1.6 6% 1 1 116 [80] 2006 University of Southampton 10.2 4.8/1.2 48% 9.6 1 660 [79] 2009 European Southern Observatory 153 — 85% — 1 120 [77] 2010 OFS Laboratory 81 — 32% — 1 480 [86] 2010 European Southern Observatory 100 2/>1.6 62.5% 0.9 1 120 [87] 2013 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 3 — 35% — 980 [88] 2013 National University of Defense Technology 119 — 82% — 1 173 [89] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 12.3 3.2/1.46 82.7% 2.2 1 658 [90] 2015 University of Southampton 6 22/1.9 9% 9.6 1 120 [91] 2015 University of Southampton 19 22.2/5 48% 5.3 1 019 [91] 2016 Soreq Nuclear Research Center 80 14/5.6 53% 3.5 1 020 [92] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 10 20/1.2 15.4% 40 954 [93] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 17 — 19% — 954 [94] 2017 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 50 26/2.6 27% 25 954 [94] 2017 Soreq Nuclear Research Center 154 19.0/8 65% 3 1 020 [95] 2018 Soreq Nuclear Research Center 135 7.6/2.5 68% 5.6 1 081 [96] 2018 Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences 62 30.0/3 30% 25 954 [97] 2018 Soreq Nuclear Research Center 250 8.4/3.3 60% 3.6 1 080 [98] 2018 Soreq Nuclear Research Center 1 200 8/2.75 85% 7 1 120 [85] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据 
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表 2 近年来高功率拉曼光纤放大器的研究进展
Table 2. Research progress of high-power RFA in recent years
Years Research institute Power
/WM2
in/outEfficiency BE Wavelength
/nmGain type References 2002 University of Southampton 0.05 4.4/— 36% 17.5 1 069 Raman [78] 2012 Jena University 208 —— 87% —— 1 118-
1 130Raman [103] 2013 OFS Laboratory 301 —— 64% —— 1 480 Raman [104] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 300 —— 70% —— 1 120 Yb-Raman [105] 2014 Beijing University of Technology 14.3 —— 38.5% —— 2 147 Raman [106] 2014 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 1 280 —— 70% —— 1 120 Yb-Raman [102] 2014 National University of Defense Technology 732 —— 82.2% —— 1 120 Yb-Raman [107] 2015 National University of Defense Technology 1 520 —— 75.6% —— 1 120 Yb-Raman [108] 2016 Tsinghua University 3 890 —/1.49 70.9% —— 1 123 Yb-Raman [83] 2018 National University of Defense Technology 528 10.4/4.2 68% 3.8 1 060 Raman [109] 2019 National University of Defense Technology 1 002 9.2/5.1 84% 2.6 1 060 Raman [110] 2019 Tsinghua University 3 700 —/2.18 —— —— 1 123 Yb-Raman [111] 2020 National University of Defense Technology 762.6 6.12/2.24 25% 2.35 1 130 Raman [112] 2020 National University of Defense Technology 2 087 ~13.5/8.9 59.33% —— 1 130 Raman [113] 2021 National University of Defense Technology 2 034 10.5/2.8 79.35% 11.2 1 130 Raman [114] 2021 National University of Defense Technology 3 083 ~11/5.72 78.7% 2.9 1 131 Raman [82] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据
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表 3 近年来RRFL的研究进展
Table 3. Research progress of RRFL in recent years
Years Research institute Power
/WEfficiency Wavelength
/nmReferences 2010 Aston University 0.15 — 1 550 [131] 2015 National University of Defense Technology 124 79% 1 146 [130] 2017 National University of Defense Technology 27 — 996 [139] 2017 National University of Defense Technology 491 — 1120 [140] 2018 Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, CAS 100.1 38.4%/27.2% 1 000-1 900 [116] 2019 National University of Defense Technology 985 78.9% 1 150 [141] 2021 National University of Defense Technology 1 570 77.5% 1 120 [142] 说明：表中 “—” 表示该文献中未提供该项数据
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