光纖激光器具有效率高、體積小、光束質(zhì)量好、工作穩(wěn)定可靠和環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)， 在工業(yè)加工、醫(yī)療、國(guó)防等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，是激光研究的重要方向之一[1-5]。隨著雙包層大模場(chǎng)光纖的產(chǎn)生、半導(dǎo)體泵浦性能的提升和光纖集成技術(shù)的快速發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升[6]。目前，美國(guó) IPG 光纖激光器單纖輸出功率最高可達(dá) 20 kW[7]，而國(guó)內(nèi)國(guó)防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院也相繼研制出 10 kW 級(jí)的光纖激光器[8-9]。但是單纖輸出功率的進(jìn)一步提升受到非線(xiàn)性效應(yīng)、熱效應(yīng)和光纖損傷等方面影響，并且其輸出 功率存在理論上的閾值[10-12]，因此光纖激光單纖輸出功率很難進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)量級(jí)上的提升。目前，光纖激光器輸出 功率進(jìn)一步提升的有效方案是光束合成，主要包括相干合成[13] 和光譜合成[14]。而光束合成對(duì)激光子束提出了要求，一般要求合成激光子束具有窄線(xiàn)寬和高功率高光束質(zhì)量特性[15-17]。這種高功率窄線(xiàn)寬激光器在引力探測(cè)、非線(xiàn)性頻率轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)科研和國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域中也有著極其重要的應(yīng)用前景。

1高功率窄線(xiàn)寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀

根據(jù)激光器結(jié)構(gòu)的不同，本文從自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器和全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器兩個(gè)方面介紹常用波段高功率窄線(xiàn)寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀，同時(shí)介紹短波長(zhǎng)窄線(xiàn)寬光纖激光器研究現(xiàn)狀。

1.1自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器

自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器對(duì)激光器器件要求低，可兼容多種光纖結(jié)構(gòu)，提高光纖激光器的輸出能力。對(duì)于窄線(xiàn)寬光纖激光器，目前主要的技術(shù)路線(xiàn)是對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制展寬光譜來(lái)抑制光纖中的非線(xiàn)性效應(yīng)，該種子源在光纖放大級(jí)中放大，從而實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。

2011 年，美國(guó) Fibertek 公司的 Doruk Engin 等報(bào)道了線(xiàn)寬為 450 MHz，輸出功率達(dá)到 1 kW 的光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 1 所示。采用雙通道正弦信號(hào)調(diào)制單頻種子光，將線(xiàn)寬展寬為 450 MHz，再經(jīng)過(guò)三級(jí)放大實(shí)現(xiàn) 1 kW 激光輸出。主放大級(jí)采用 35/500 的增益光纖以降低纖芯中的功率密度， 抑制 SBS 效應(yīng)， 輸出激光的光束質(zhì)量為M2＜1.4[18]。

2016 年，耶拿大學(xué)在放大級(jí)中采用低數(shù)值孔徑的光纖來(lái)抑制模式不穩(wěn)定（MI）效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單模 3 kW 激光輸出， 光譜線(xiàn)寬為 0.17 nm。種子源采用單頻激光器相位調(diào)制源， 放大級(jí)采用自制的新型光纖， 數(shù)值孔徑為 0.04， 光纖纖芯直徑為 24.5 μm， 內(nèi)包層直徑為 450 μm， 有效模場(chǎng)面積為 360 μm2， 放大級(jí)輸出效率為 90%， 在放大過(guò)程中， 沒(méi)有發(fā)生 MI 效應(yīng)。在 3 kW 輸出功率下， 放大自發(fā)輻射（ ASE） 效應(yīng)抑制比為 70 dB[19]。2017 年， 他們又繼續(xù)采用自制的低數(shù)值孔徑光纖進(jìn)行窄線(xiàn)寬激光器實(shí)驗(yàn)， 放大級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)放大級(jí)采用低數(shù)值孔徑的 30/460 增益光纖時(shí)，輸出功率達(dá)到了 2.8 kW，光譜線(xiàn)寬為 0.18 nm，MI 效應(yīng)抑制了輸出功率的進(jìn)一步提升。當(dāng)放大級(jí)采用 23/460 增益光纖時(shí)， 單模激光的輸出功率達(dá)到了 3.5 kW， 光譜線(xiàn)寬為0.18 nm，功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)，這是目前已報(bào)道的單模窄線(xiàn)寬光纖激光器的最高輸出功率[20]。但是由于匹配新型光纖的全光纖化器件的缺乏， 該系統(tǒng)仍采用空間耦合結(jié)構(gòu)。

2016 年， 美國(guó) MIT 林肯實(shí)驗(yàn)室采用金屬包層的增益光纖搭建了雙向泵浦放大器， 放大級(jí)實(shí)驗(yàn)裝置如圖 3 所示。金屬包層光纖能改變光纖中的熱負(fù)載， 增加高階模式的彎曲損耗， 從而抑制 MI 效應(yīng)。種子光采用調(diào)制頻率為 12.5 GHz 的偽隨機(jī)碼（ PRBS） 信號(hào)調(diào)制單頻激光器， 經(jīng)放大級(jí)放大后激光輸出功率為 3.1 kW， 光譜線(xiàn)寬為12 GHz， 光光效率為 90%， 激光光束質(zhì)量接近衍射極限

。該系統(tǒng)也采用空間耦合方式， 集成度較低[21]。

1.2全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器

相比于自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器，全光纖結(jié)構(gòu)光纖激光器具有集成度高、穩(wěn)定性好、工程化應(yīng)用難度低等優(yōu)點(diǎn)， 使得基于全光纖結(jié)構(gòu)的窄線(xiàn)寬光纖激光器得到迅速發(fā)展。由于相干合成一般要求激光子束光譜線(xiàn)寬小于10 GHz，而光譜合成要求激光器的光譜線(xiàn)寬不大于 100 GHz，因此，對(duì)于全光纖化的窄線(xiàn)寬光纖激光器，本文從兩種線(xiàn)寬要求來(lái)分別介紹目前的研究進(jìn)展。

（1）線(xiàn)寬＜10 GHz 光纖激光器

2012 年，國(guó)防科技大學(xué)采用白噪聲信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制，使其光譜展寬約為 0.3 GHz，該種子源輸出功率為 10 mW，之后該種子源經(jīng)過(guò)四級(jí)放大器進(jìn)行放大，最終獲得了功率為 666 W 的窄線(xiàn)寬激光輸出，光譜線(xiàn)寬小于 0.3 GHz[22]。2015 年，國(guó)防科技大學(xué)采用 976 nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦基于 25/400 保偏光纖的放大系統(tǒng)，對(duì)窄線(xiàn)寬種子源進(jìn)行放大，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 4 所示。種子源采用正弦信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制，使光譜展寬為約5 GHz，經(jīng)放大后將線(xiàn)偏激光的輸出功率提升到了 560 W，光束質(zhì)量為 M2＝1.3，光譜線(xiàn)寬保持約為 5 GHz，偏振消光比為～ 14 dB。理論研究結(jié)果表明 5 GHz 線(xiàn)寬的種子源 SBS 閾值為 1.2 kW， 輸出功率的進(jìn)一步提升主要受限于MI 效應(yīng)[23]。

2014 年， 中國(guó)電子科技集團(tuán)有限公司第 11 研究所利用正弦調(diào)制方式將單頻激光器的光譜線(xiàn)寬展寬為2.9 GHz，采用三級(jí)放大結(jié)構(gòu)進(jìn)行放大，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 5 所示。采用 976 nm 的半導(dǎo)體激光器泵浦基于 25/400 光纖的主放大系統(tǒng)進(jìn)行放大，激光器最終輸出功率達(dá)到了 780 W，光譜線(xiàn)寬保持為 2.9 GHz，光束質(zhì)量為

1.43，在最高輸出功率下沒(méi)有發(fā)生明顯的非線(xiàn)性效應(yīng)和 MI 效應(yīng)，功率的進(jìn)一步提升主要受限于泵浦功率[24]。

2014 年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的 Iyad Dajani 采用 25/400 光纖作為主放光纖，基于主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，搭建了四級(jí)放大的窄線(xiàn)寬光纖激光器，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 6 所示。該激光器使用調(diào)制頻率為 2 GHz 的 PRBS 信號(hào)作為相位調(diào)制源，通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)來(lái)抑制 SBS 效應(yīng)，最終獲得了 1 kW 窄線(xiàn)寬激光輸出，光束質(zhì)量為 M2＝1.1，光譜線(xiàn)寬為 2 GHz[25]。另外，使用調(diào)制頻率為 3 GHz 的 PRBS 信號(hào)作為相位調(diào)制源，在光譜線(xiàn)寬為 3 GHz 時(shí)實(shí)現(xiàn)了 1.17 kW近衍射極限輸出，功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)[26]。

2016 年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等進(jìn)一步采用雙波長(zhǎng)種子注入和相位調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)了 1 kW 激光輸出，線(xiàn)寬為 2.3 GHz，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 7 所示。采用寬帶 1038 nm 和窄帶 1064 nm 的種子源同時(shí)注入，主放大級(jí)采用 25/400 增益光纖進(jìn)行放大。種子源利用 PRBS 信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制，通過(guò)雙波長(zhǎng)激光器的增益競(jìng)爭(zhēng)效應(yīng)和相位調(diào)制展寬光譜來(lái)同時(shí)抑制 SBS 效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)優(yōu)化兩種波長(zhǎng)種子源的功率配比和相位調(diào)制參數(shù)，最終在 1064 nm 波段實(shí)現(xiàn)了 1 kW 激光輸出，輸出激光光束的質(zhì)量因子 M2 介于 1.1～1.2 之間，光譜線(xiàn)寬為 2.3 GHz[27]。

韓國(guó)先進(jìn)光學(xué)研究中心使用 20/400 保偏光纖搭建了全保偏光纖激光系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 8 所示[28]。該系統(tǒng)采用調(diào)制頻率為 6.6 GHz 的 PRBS 信號(hào)調(diào)制單頻激光器，經(jīng)放大后輸出功率達(dá)到 818 W，輸出效率為 85.2%，激光光譜線(xiàn)寬＜7 GHz，偏振消光比為 13 dB，功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)。另外他們還理論預(yù)測(cè)了在 10 GHz 線(xiàn)寬下可實(shí)現(xiàn) 2.5 kW 激光輸出。

2020 年， 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用 PRBS 產(chǎn)生器產(chǎn)生調(diào)制頻率為 6.5 GHz， 調(diào)制格式為 9 的PRBS 相位調(diào)制信號(hào)，之后經(jīng)過(guò) 2.2 GHz 的低頻濾波器進(jìn)行濾波后分別調(diào)制 DBR 和 DFB 單頻種子源，使種子源光譜展寬為 2.2 GHz。DBR 和 DFB 種子源通過(guò)四級(jí)放大系統(tǒng)進(jìn)行放大，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 9 所示。采用 DBR 和 DFB 種子源的激光器最終輸出功率分別達(dá)到 1.2 kW 和 1.27 kW，光譜中心波長(zhǎng)分別為 1082 nm 和 1075 nm，光譜線(xiàn)寬為 2.2 GHz，光束質(zhì)量為 M2＜1.2，在最高輸出功率下，產(chǎn)生較為明顯的 SBS 效應(yīng)，功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)[29]。

近年來(lái)，光譜線(xiàn)寬小于 10 GHz 的窄線(xiàn)寬光纖激光器主要研究成果總結(jié)如表 1 所示。激光光譜線(xiàn)寬小于 10 GHz時(shí)，輸出功率基本被限制在 1 kW 量級(jí)，主要的限制因素為 SBS 和 MI 效應(yīng)。

（2）線(xiàn)寬＜100 GHz 光纖激光器

對(duì)于線(xiàn)寬在 10～100 GHz 范圍的光纖激光器，主要的技術(shù)方案包括基于少縱模光纖振蕩器功率放大結(jié)構(gòu)和相位調(diào)制單頻激光器功率放大結(jié)構(gòu)兩種方案。兩種方案的主要區(qū)別在于采用的種子源不同，基本結(jié)構(gòu)均為 MOPA結(jié)構(gòu)?；谥苯诱袷幤鞯恼€(xiàn)寬光纖激光器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是在放大過(guò)程中光譜線(xiàn)寬會(huì)不斷展寬，在較高輸出功率下，光譜線(xiàn)寬很難控制在很窄的范圍內(nèi)，而相位調(diào)制多級(jí)放大的窄線(xiàn)寬光纖激光器在放大過(guò)程中光譜線(xiàn)寬幾乎不展寬，有利于光譜線(xiàn)寬的精確控制，但是結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜。因此，對(duì)于線(xiàn)寬要求較低的系統(tǒng)，可選擇采用基 于直接振蕩器的窄線(xiàn)寬光纖激光方案，對(duì)于線(xiàn)寬要求較為嚴(yán)格的系統(tǒng)，多采用相位調(diào)制多級(jí)放大結(jié)構(gòu)。

2016 年，中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心將少縱模振蕩器作為種子源，經(jīng)光纖放大器放大后輸出功率達(dá)到了 2.9 kW，光譜線(xiàn)寬為 0.31 nm，輸出激光為多模激光，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 10 所示。在放大過(guò)程中，激光的光譜線(xiàn)寬不斷展寬，經(jīng)理論計(jì)算表明，放大器中的光譜展寬與種子源中的縱模數(shù)量成線(xiàn)性關(guān)系，因此可以通過(guò)控制種子源 中的縱模數(shù)量來(lái)減弱放大過(guò)程中的光譜展寬。文中實(shí)驗(yàn)對(duì)比了將兩種不同線(xiàn)寬的種子源注入到放大器中，放大級(jí)輸出線(xiàn)寬隨功率的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析一致[30]。

2019年，清華大學(xué)精密儀器系采用窄線(xiàn)寬光纖布拉格光柵搭建了少縱模光纖振蕩器，經(jīng)過(guò)放大級(jí)放大后實(shí)現(xiàn)了 2.19 kW 激光輸出，輸出效率為 78.3%，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 11 所示。振蕩級(jí)采用 20/400 增益光纖，高反光柵和低反光柵的線(xiàn)寬分別為 1 nm 和 0.03 nm， 振蕩級(jí)的光譜線(xiàn)寬為 36.6 pm。采用 976 nm 半導(dǎo)體激光器反向泵浦基于 25/400 增益光纖的主放大系統(tǒng)進(jìn)行功率放大，在 2190 W 輸出功率下光譜線(xiàn)寬展寬為 86.5 pm，光束質(zhì)量為 M2＝1.46，在實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有觀察到 SBS 和 MI 效應(yīng)產(chǎn)生[31]。

2019 年，韓國(guó)國(guó)防發(fā)展局地面技術(shù)研究所報(bào)道了 2.05 kW 窄線(xiàn)寬光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 12 所示。與清華大學(xué)精密儀器系 2.19 kW 窄線(xiàn)寬光纖激光器的技術(shù)方案類(lèi)似，他們采用光譜線(xiàn)寬為 0.08 nm 的光纖光柵產(chǎn)生窄線(xiàn)寬振蕩器，放大級(jí)泵浦源為波長(zhǎng)鎖定的 976 nm 半導(dǎo)體激光器，泵浦方式為正向泵浦，增益光纖為 20/400 摻鐿光纖， 經(jīng)放大后輸出功率達(dá)到 2.05 kW，光譜線(xiàn)寬展寬為 0.24 nm，輸出激光的光束質(zhì)量為 M2＝1.28。在最高輸出功率下，沒(méi)有發(fā)生 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)，但是隨著輸出功率的提升，光譜展寬非常明顯，在更高輸出功率下，光譜線(xiàn)寬將會(huì)是限制其應(yīng)用的主要因素[32]。

2020 年，中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所基于一對(duì)窄線(xiàn)寬保偏光柵和 10/130 保偏增益光纖構(gòu)成振蕩腔，以此作為種子源，經(jīng)過(guò)放大后實(shí)現(xiàn)了 3 kW 級(jí)窄線(xiàn)寬保偏光纖激光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 13 所示。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)減短振蕩腔中的光纖長(zhǎng)度以減小縱模數(shù)量，從而控制光譜展寬，當(dāng)輸出功率為 3.08 kW 時(shí)，光譜線(xiàn)寬為 0.20 nm，光束質(zhì)量為 M2＝1.4，偏振消光比（PER）為 94%[33]。這是已報(bào)道的窄線(xiàn)寬全保偏光纖激光器的最高輸出功率，功率的進(jìn)一步提升受限于 SRS 效應(yīng)。

對(duì)于相位調(diào)制單頻激光器功率放大的方案，目前的研究更為廣泛。美國(guó) IPG 公司于 2017 年報(bào)道了 1.5 kW 保偏窄線(xiàn)寬激光器和 2 kW 非保偏窄線(xiàn)寬激光器，輸出光譜線(xiàn)寬分別為 15 GHz 和 20 GHz，光束質(zhì)量因子 M2＜1.1[34]。2018 年，他們又進(jìn)一步將保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2 kW，非保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.5 kW，實(shí)驗(yàn)方案如圖 14 所示，在最高輸出功率下，光譜線(xiàn)寬均為 30 GHz，光束質(zhì)量因子 M2＜1.1[35]。

2018 年，美國(guó) nLight 公司將手性耦合纖芯光纖（CCC 光纖）應(yīng)用到窄線(xiàn)寬光纖激光系統(tǒng)中，以抑制光纖激光器中的 MI 效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 15 所示，單頻激光器經(jīng)相位調(diào)制后進(jìn)行放大，最終實(shí)現(xiàn)了 20 GHz 線(xiàn)寬 2.4 kW 激光輸出，在 2.2 kW 輸出功率下達(dá)到 MI 閾值，進(jìn)一步功率提升受限于 MI 效應(yīng)[36]。

國(guó)內(nèi)，2015 年，國(guó)防科技大學(xué)報(bào)道了線(xiàn)性偏振窄線(xiàn)寬光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 16 所示。種子源采用正弦信號(hào)對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制，通過(guò)增加正弦調(diào)制的級(jí)數(shù)可以增加光譜線(xiàn)寬，當(dāng)光譜線(xiàn)寬為 6，18.5 和 45 GHz 時(shí)， 經(jīng)過(guò)三級(jí)保偏放大級(jí)放大后， 激光輸出功率分別達(dá)到 477， 1040 和 1890 W， 在 1520 W 輸出功率下， 光束質(zhì)量為M 2＝1.19，M 2＝1.27，功率的進(jìn)一步提升受限于 MI 效應(yīng)[37]。

2017 年，國(guó)防科技大學(xué)通過(guò)采用柱狀盤(pán)繞的方式抑制MI 效應(yīng)，將窄線(xiàn)寬保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.43 kW， 實(shí)驗(yàn)裝置如圖 17 所示。在最高輸出功率下，沒(méi)有發(fā)生 SBS和 MI 效應(yīng)，光譜線(xiàn)寬為 0.255 nm，偏振消光比為 18.3 dB， 功率的進(jìn)一步提升主要受限于泵浦功率[38]。

2015年，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所報(bào)道了1.75 kW窄線(xiàn)寬光纖激光器，激光光束質(zhì)量為M2＝1.77，光譜線(xiàn)寬20 GHz[39]。2017 年，進(jìn)一步采用 ASE 種子源，通過(guò)三級(jí)放大的激光系統(tǒng)，如圖 18 所示，實(shí)現(xiàn)了 2.7 kW 激光輸出，光束質(zhì)量為 M2＜1.2，光譜線(xiàn)寬為 50 GHz，在最高輸出功率下，沒(méi)有發(fā)生 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)，進(jìn)一步功率提升受限于泵浦功率[40]。

2018 年，中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所采用白噪聲相位調(diào)制方式將單頻激光器的光譜線(xiàn)寬展寬為0.18 nm，之后經(jīng)過(guò)三級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)了 3.5 kW 窄線(xiàn)寬光纖激光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 19 所示。輸出功率為 3.5 kW 時(shí)， 激光光譜線(xiàn)寬為 0.18 nm，沒(méi)有發(fā)生 SBS 效應(yīng)，但是當(dāng)激光輸出功率高于 3.17 kW 時(shí)，發(fā)生 MI 效應(yīng)。當(dāng)輸出功率為3.5 kW 時(shí)，激光光束質(zhì)量為

，為多模激光。因此，對(duì)于該系統(tǒng)，限制其輸出功率進(jìn)一步提升的主要因素是 MI 效應(yīng)[41]。

2019 年，中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所又進(jìn)一步研究了保偏窄線(xiàn)寬光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 20 所示。種子源采用白噪聲信號(hào)相位調(diào)制方式展寬單頻激光器光譜，之后通過(guò)多級(jí)放大器進(jìn)行功率放大。實(shí)驗(yàn)中對(duì)比了不同光譜線(xiàn)寬下的 SBS 閾值，當(dāng)光譜線(xiàn)寬為 13 GHz 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 1.5 kW 線(xiàn)偏振激光輸出。隨著激光輸出功率的增加，輸出激光沒(méi)有發(fā)生明顯的模式劣化現(xiàn)象，即沒(méi)有達(dá)到 MI 閾值，功率的進(jìn)一步提升受限于 SBS 效應(yīng)[42]。當(dāng)光譜線(xiàn)寬為 32 GHz 時(shí)，實(shí)現(xiàn)了 2.62 kW 線(xiàn)偏激光輸出，光束質(zhì)量為 M2＜1.3，偏振消光比為 96.3%，功率的進(jìn)一步提升受限于 MI 效應(yīng)[43]。

表 2 給出了 10～100 GHz 線(xiàn)寬光纖激光器的主要研究成果?？偨Y(jié)來(lái)看，線(xiàn)寬在 100 GHz 以?xún)?nèi)的光纖激光器目前最高輸出功率為 3.5 kW，但是其光束質(zhì)量較差，為多模激光輸出。輸出功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)。

1.3 短波長(zhǎng)窄線(xiàn)寬光纖激光器

對(duì)于光譜合成技術(shù)，增加合成激光子束的數(shù)量是提高合成功率的重要途徑之一，拓展光纖激光器的光譜范圍 有助于增加光譜合成的激光子束數(shù)量，提升光譜合成功率[44-45]。目前常用的光譜合成范圍為 1050～1072 nm，進(jìn)一步拓展窄線(xiàn)寬光纖激光器的波長(zhǎng)范圍至 1030 nm 波段對(duì)光譜合成技術(shù)具有重要意義，因此，很多研究機(jī)構(gòu)對(duì)短波長(zhǎng)（波長(zhǎng)小于 1040 nm）窄線(xiàn)寬光纖激光器進(jìn)行了研究。本論文主要對(duì) 1030 nm 光纖激光器進(jìn)行研究，將光譜合成激光子束的波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至 1030 nm。

不同波長(zhǎng)光纖激光器的輸出特性主要受增益光纖吸收譜和發(fā)射譜的影響，對(duì)于短波長(zhǎng)光纖激光器，相比于光纖激光器的傳統(tǒng)波段（1060～1080 nm），增益光纖的吸收截面較大，產(chǎn)生的短波長(zhǎng)激光很容易在增益光纖中被重吸收產(chǎn)生更長(zhǎng)波長(zhǎng)的激光輸出，即產(chǎn)生 ASE，使其輸出功率受限。

2011 年，耶拿大學(xué)的 O. Schmidt 等采用窄線(xiàn)寬 ASE 源作為種子光進(jìn)行放大，種子源結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。采用兩個(gè)光柵將種子線(xiàn)寬控制在 12 pm，種子輸出功率為 400 mW，中心波長(zhǎng)為 1030 nm。種子源經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大，第一級(jí)采用 40/200 的光子晶體光纖，第二級(jí)為 42/500 的光子晶體光纖，最終輸出功率為 697 W，光束質(zhì)量為 M2＝1.34[46]。

2016 年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等使用 PRBS 信號(hào)調(diào)制 1030 nm 的單頻激光器作為種子源，種子源光譜線(xiàn)寬為 3.5 GHz，之后經(jīng)放大級(jí)進(jìn)行放大，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 22 所示。該系統(tǒng)將 1030 nm 波段的激光輸出功率提升至 1034 W，光譜線(xiàn)寬為 11 pm，放大級(jí)輸出效率為 80%，ASE 抑制比達(dá) 40 dB，光束質(zhì)量為 M2＝1.1～1.2。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)控制增益光纖長(zhǎng)度來(lái)抑制 SBS 和 ASE 效應(yīng)[47-48]。

2014 年，美國(guó) Nufern 公司的 Ye Huang 等在 1028～1100 nm 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了kw 級(jí)的激光輸出[49]。實(shí)驗(yàn)中主要對(duì) 1028 nm 和 1100 nm 的激光器進(jìn)行了研究，并將結(jié)果與 1064 nm 的激光器對(duì)比，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)波段光纖激光器，短波長(zhǎng)和長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖激光器的 ASE 效應(yīng)都會(huì)明顯增強(qiáng)。最終經(jīng)過(guò)對(duì) ASE 效應(yīng)的抑制，在 1028 nm 波段實(shí)現(xiàn)了 1215 W 單模激光輸出，光光效率為 75%。

2016 年，美國(guó) IPG 公司的 Roman Yagodkin 等對(duì)單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制作為種子源，經(jīng)放大后得到＞1.5 kW 激光輸出，激光中心波長(zhǎng)范圍為 1030～1070 nm，光譜線(xiàn)寬＜15 GHz[50]，不同波長(zhǎng)下的輸出光譜圖如圖 23 所示。從光譜圖中可以看出，相對(duì)于 1064 nm 附近的激光，短波長(zhǎng)激光光譜的 ASE 抑制比低約 15 dB。2017 年，美國(guó) IPG 公司又對(duì) 1030 nm 的單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制，使光譜展寬為20 GHz，經(jīng)過(guò)三級(jí)預(yù)放大級(jí)后輸出功率達(dá)到 15～20 W，最后經(jīng)主放大級(jí)放大后得到 2.2 kW 短波長(zhǎng)激光輸出， 是目前1030 nm 波段光纖激光器的最高輸出功率[50]。

綜上所述，由于 ASE 效應(yīng)的影響，短波長(zhǎng)窄線(xiàn)寬光纖激光器的最高輸出功率僅為 2.2 kW， 相比于典型波長(zhǎng) 1064 nm 附近的窄線(xiàn)寬光纖激光器，還有很大的發(fā)展空間。

2高功率窄線(xiàn)寬光纖激光器的限制因素

目前，高功率窄線(xiàn)寬光纖激光器的主要限制因素為 SBS 效應(yīng)和 MI 效應(yīng)。當(dāng)光纖激光器的輸出功率達(dá)到 kW 級(jí)以上時(shí)，由于光纖纖芯中功率密度很高，產(chǎn)生 SBS 效應(yīng)，它是限制窄線(xiàn)寬光纖激光輸出功率提升的重要因素[51]。相比于 SBS 效應(yīng)， MI 效應(yīng)發(fā)現(xiàn)較晚， 直到 2010 年才被德國(guó)耶拿大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)[52]，之后迅速引起了各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，其主要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是當(dāng)光纖激光器的輸出功率提高到特 定值后，光纖中穩(wěn)定傳輸?shù)幕?huì)發(fā)生模式劣化，產(chǎn)生強(qiáng)度和相位不斷變化的高階模式[53-54]。MI 效應(yīng)產(chǎn)生的根源在于大模場(chǎng)光纖無(wú)法做到只支持基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，而是同時(shí)還支持一個(gè)以上的高階模運(yùn)轉(zhuǎn)。種子相位噪聲或者強(qiáng)度噪聲中的高階模成分在增益光纖中傳輸時(shí)，會(huì)與基模發(fā)生相互干涉作用，從而產(chǎn)生周期性的縱向和橫向的強(qiáng)度分布， 激光量子虧損加熱與信號(hào)光場(chǎng)強(qiáng)度的正相關(guān)導(dǎo)致光纖出現(xiàn)橫向和縱向的溫度梯度，熱光效應(yīng)形成熱致折射率光柵，其周期與模式干涉拍長(zhǎng)相匹配，這種光柵反過(guò)來(lái)增強(qiáng)了基模和高階模之間的相互耦合，在足夠高的功率水平下 導(dǎo)致 MI 效應(yīng)的出現(xiàn)[55]。MI 效應(yīng)具有明顯的閾值特性，在閾值之下，激光器輸出光束質(zhì)量較好，在閾值之上，光束質(zhì)量急劇劣化，近場(chǎng)出現(xiàn)基模與高階模的 ms 級(jí)的跳變[56-57]。在窄線(xiàn)寬光纖激光器中，主要通過(guò)增大模場(chǎng)面積，減小光纖纖芯中功率密度來(lái)抑制 SBS 效應(yīng)[58-59]，而提高 MI 閾值的重要方式是通過(guò)減小模場(chǎng)面積減少光纖中傳導(dǎo)的模式數(shù)量[60]。因此，SBS 效應(yīng)的抑制和 MI 閾值的提升相互制約，如何同時(shí)抑制兩種非線(xiàn)性效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)兩者的平衡是實(shí)現(xiàn)更高功率輸出的單模窄線(xiàn)寬光纖激光器的關(guān)鍵問(wèn)題。另外，線(xiàn)偏振窄線(xiàn)寬光纖激光器也是目前的一個(gè)主要發(fā)展方向，偏振控制是實(shí)現(xiàn)線(xiàn)偏振光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)論

高功率窄線(xiàn)寬光纖激光器在光束合成等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，近年來(lái)得到了快速發(fā)展。本文在回顧了高功率窄線(xiàn)寬光纖激光技術(shù)的研究現(xiàn)狀之后，對(duì)目前發(fā)展的主要限制因素進(jìn)行了描述和說(shuō)明，即激光器中非線(xiàn)性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定效應(yīng)限制了其輸出功率的提升和輸出激光光束質(zhì)量的優(yōu)化。進(jìn)一步提高光纖激光器的性能仍是未來(lái)窄線(xiàn)寬光纖激光器發(fā)展的主要方向，如繼續(xù)提高輸出功率，改善窄線(xiàn)寬光纖激光的光束質(zhì)量，拓展窄線(xiàn)寬光纖 激光器的波段，繼續(xù)壓窄激光的光譜線(xiàn)寬，線(xiàn)偏振窄線(xiàn)寬激光輸出以及進(jìn)行整機(jī)小型化、實(shí)用化、智能化的研究。

本文作者楚秋慧、 郭超、 顏冬林、舒強(qiáng)、史儀、溫靜、林宏奐、王建軍，來(lái)自中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心。

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