据中国激光杂志社网，于2025年07月15日报道，清华大学：全光纤随机腔结构直接产生纤芯倍频激光。

光纤内二次谐波产生技术

二阶非线性在一系列应用中具有重要意义，包括精密频率计量、光学时钟、分子成像和量子信息处理。光纤因其高度的非线性和紧凑性，是研究非线性效应的理想平台。然而，光纤的反转对称性使得二阶非线性效应难以实现，从而阻碍了全光纤二阶非线性的研究。

当前，研究人员已经能够在光纤纤芯或包层中直接实现二次谐波产生（Second harmonic generation, SHG）。光纤内SHG的相位匹配条件主要通过自组织相位匹配、准相位匹配、集成材料辅助相位匹配等技术满足。然而，光纤内SHG技术仍然面临各种挑战，例如基波（Fundamental wave, FW）源和SHG介质的分离、平均输出功率较低、需要复杂的预处理等。此外，还有部分研究通过切伦科夫辐射相位匹配来实现SHG，但是其二次谐波（Second harmonic, SH）不在纤芯中产生，而是在包层，这会导致其为泄露模，功率迅速衰减，并且光束质量较差。在无需预处理的情况下，如何通过全光纤结构，在纤芯内直接产生高光束质量SH，值得进一步研究。

新型全光纤随机腔结构直接产生纤芯高光束质量二次谐波

近日，清华大学精密仪器系先进激光技术研究团队在随机光纤激光器中，实现了全光纤高光束质量纤芯内SHG。增益方面，相位匹配主要通过FW与SH诱导的周期性电场实现，同时利用随机激光器的被动时空增益调制机制，并增长非线性增益长度，从而增强了二次谐波增益。反馈方面，利用分布式反馈机制与点反馈器件共同构成SH的随机谐振腔。实验中，SHG无需任何准备时间及预处理，由于独特的增益与反馈构型，FW与SH从同一随机腔内产生，且SH从纤芯中直接输出，平均输出功率为10.06 mW。此外，本研究工作提出了创新理论模型，将自组织SHG理论与广义非线性薛定谔方程耦合，实现SH与FW光谱演化的同步仿真。该结构充分利用光纤优势，实现了全光纤高光束质量纤芯内SHG，在环境传感、光纤通信及光学频率梳等领域具有潜在应用价值。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2025年第3期的文章(Yousi Yang, Dan Li, Pei Li, Guohao Fu, Tiancheng Qi, Yijie Zhang, Ping Yan, Mali Gong, Qirong Xiao, "Second-harmonic generation within a random fiber laser," High Power Laser Sci. Eng. 13, 03000e41 (2025))。

该随机光纤激光器的结构如图１所示，激光二极管泵浦源的输出光通过合束器耦合至光纤内包层，注入掺镱光纤，泵浦光转换为基波。随后，纤芯光注入1公里长的通信光纤，其输出端采用角度切割以避免菲涅尔反射耦合到纤芯。在反向输出方向，合束器的信号光纤连接高反光栅，形成半开放式掺镱随机激光腔。光栅另一端连接至2×1耦合器的单臂，该耦合器的另外两臂直接熔接构成光纤环形镜。

实验采用级联双随机腔结构，内部由高反射光纤光栅构成掺镱增益腔，外部通过环形镜实现宽带反馈。输出光谱及功率如图2所示。当泵浦功率接近阈值时，光谱中出现主峰并伴随随机噪声峰，源于瑞利散射与受激布里渊散射的自调Q效应，此时时域强脉冲激发535 nm二次谐波。泵浦功率超过级联拉曼阈值后，光谱展宽为超连续谱（680-2116 nm），近红外区基波与多阶斯托克斯光参与SHG，SH波段出现592 nm的主峰，这是因为橙光损耗低且1184 nm拉曼光功率充足。

进一步，采用光学滤波装置，滤去680 nm以上杂散光，研究SH时域特性。图3(a)显示不同基波功率下SH波形呈现显著强度涨落，部分脉冲强度远超均值，这表明可能存在光学怪波。统计直方图（图3(b)）揭示L型分布特征，灰色区为噪声背景，虚线标记峰值振幅两倍显著波高。图3(c)中的怪波脉宽受探测器带宽限制（实际可能更窄），不同波长SH因相位匹配位置差异呈现输出时序微调，主峰旁出现次峰，对应低强度FW的SH成分。

总结与展望

该研究提出了一种全光纤纤芯SHG方法，不需要特殊处理便具有更强的泵浦注入能力。此外，该结构可以同时生成FW和SH，提供高度集成的设计。进一步的研究包括设计SH波长调谐的反馈响应，提高泵浦功率以满足更高功率应用，以及深入地研究怪波现象。