光纖激光器具有效率高、體積小、光束質量好、工作穩(wěn)定可靠和環(huán)境適應性強等突出優(yōu)點， 在工業(yè)加工、醫(yī)療、國防等領域具有廣闊的應用前景，是激光研究的重要方向之一。隨著雙包層大模場光纖的產生、半導體泵浦性能的提升和光纖集成技術的快速發(fā)展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升。目前，美國 IPG 光纖激光器單纖輸出功率最高可達20kW，而國內國防科技大學、清華大學、中國工程物理研究院也相繼研制出10kW 級的光纖激光器。但是單纖輸出功率的進一步提升受到非線性效應、熱效應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，因此光纖激光單纖輸出功率很難進一步實現(xiàn)量級上的提升。目前，光纖激光器輸出功率進一步提升的有效方案是光束合成，主要包括相干合成和光譜合成。而光束合成對激光子束提出了要求，一般要求合成激光子束具有窄線寬和高功率高光束質量特性。這種高功率窄線寬激光器在引力探測、非線性頻率轉換等基礎科研和國防工業(yè)領域中也有著極其重要的應用前景。

一 高功率窄線寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀

根據激光器結構的不同，本文從自由空間結構光纖激光器和全光纖結構光纖激光器兩個方面介紹常用波段高功率窄線寬光纖激光器的研究現(xiàn)狀，同時介紹短波長窄線寬光纖激光器研究現(xiàn)狀。

1.1自由空間結構光纖激光器

自由空間結構光纖激光器對激光器器件要求低，可兼容多種光纖結構，提高光纖激光器的輸出能力。對于窄線寬光纖激光器，目前主要的技術路線是對單頻激光器進行相位調制展寬光譜來抑制光纖中的非線性效應，該種子源在光纖放大級中放大，從而實現(xiàn)高功率激光輸出。

2011年，美國 Fibertek 公司的 Doruk Engin 等報道了線寬為 450 MHz，輸出功率達到 1 kW 的光纖激光器，實驗裝置如圖1所示。采用雙通道正弦信號調制單頻種子光，將線寬展寬為 450 MHz，再經過三級放大實現(xiàn) 1 kW 激光輸出。主放大級采用 35/500 的增益光纖以降低纖芯中的功率密度， 抑制SBS效應， 輸出激光的光束質量為M2＜1.4。

2016 年，耶拿大學在放大級中采用低數值孔徑的光纖來抑制模式不穩(wěn)定（MI）效應，實現(xiàn)了單模 3 kW 激光輸出， 光譜線寬為 0.17 nm。種子源采用單頻激光器相位調制源， 放大級采用自制的新型光纖， 數值孔徑為 0.04， 光纖纖芯直徑為 24.5 μm， 內包層直徑為 450 μm， 有效模場面積為 360 μm2， 放大級輸出效率為 90%， 在放大過程中， 沒有發(fā)生 MI 效應。在 3 kW 輸出功率下， 放大自發(fā)輻射（ASE）效應抑制比為 70 dB。2017 年， 他們又繼續(xù)采用自制的低數值孔徑光纖進行窄線寬激光器實驗， 放大級結構如圖 2 所示。當放大級采用低數值孔徑的 30/460 增益光纖時，輸出功率達到了 2.8 kW，光譜線寬為 0.18 nm，MI 效應抑制了輸出功率的進一步提升。當放大級采用23/460增益光纖時， 單模激光的輸出功率達到了3.5kW， 光譜線寬為0.18nm，功率的進一步提升主要受限于SBS效應，這是目前已報道的單模窄線寬光纖激光器的最高輸出功率。但是由于匹配新型光纖的全光纖化器件的缺乏， 該系統(tǒng)仍采用空間耦合結構。

2016年，美國 MIT 林肯實驗室采用金屬包層的增益光纖搭建了雙向泵浦放大器， 放大級實驗裝置如圖3所示。金屬包層光纖能改變光纖中的熱負載， 增加高階模式的彎曲損耗， 從而抑制MI效應。種子光采用調制頻率為 12.5 GHz 的偽隨機碼（ PRBS） 信號調制單頻激光器，經放大級放大后激光輸出功率為 3.1 kW，光譜線寬為12 GHz，光光效率為 90%，激光光束質量接近衍射極限

。該系統(tǒng)也采用空間耦合方式， 集成度較低。

1.2全光纖結構光纖激光器

相比于自由空間結構光纖激光器，全光纖結構光纖激光器具有集成度高、穩(wěn)定性好、工程化應用難度低等優(yōu)點， 使得基于全光纖結構的窄線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寬小于10 GHz，而光譜合成要求激光器的光譜線寬不大于 100 GHz，因此，對于全光纖化的窄線寬光纖激光器，本文從兩種線寬要求來分別介紹目前的研究進展。

（1）線寬＜10 GHz 光纖激光器

2012   年，國防科技大學采用白噪聲信號對單頻激光器進行相位調制，使其光譜展寬約為 0.3 GHz，該種子源輸出功率為 10 mW，之后該種子源經過四級放大器進行放大，最終獲得了功率為 666 W 的窄線寬激光輸出，光譜線寬小于 0.3 GHz。2015 年，國防科技大學采用 976 nm 的半導體激光器泵浦基于 25/400 保偏光纖的放大系統(tǒng)，對窄線寬種子源進行放大，實驗裝置如圖 4 所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進行相位調制，使光譜展寬為約5 GHz，經放大后將線偏激光的輸出功率提升到了 560 W，光束質量為 M2＝1.3，光譜線寬保持約為 5 GHz，偏振消光比為～ 14 dB。理論研究結果表明 5 GHz 線寬的種子源 SBS 閾值為 1.2 kW， 輸出功率的進一步提升主要受限于MI 效應。

2014 年， 中國電子科技集團有限公司第 11 研究所利用正弦調制方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為2.9 GHz，采用三級放大結構進行放大，實驗裝置如圖 5 所示。采用 976 nm 的半導體激光器泵浦基于 25/400 光纖的主放大系統(tǒng)進行放大，激光器最終輸出功率達到了 780 W，光譜線寬保持為 2.9 GHz，光束質量為1.43，在最高輸出功率下沒有發(fā)生明顯的非線性效應和 MI 效應，功率的進一步提升主要受限于泵浦功率。

2014 年，美國空軍實驗室的 Iyad Dajani 采用 25/400 光纖作為主放光纖，基于主振蕩功率放大（MOPA）結構，搭建了四級放大的窄線寬光纖激光器，實驗系統(tǒng)如圖 6 所示。該激光器使用調制頻率為 2 GHz 的 PRBS 信號作為相位調制源，通過優(yōu)化實驗參數來抑制 SBS 效應，最終獲得了 1 kW 窄線寬激光輸出，光束質量為 M2＝1.1，光譜線寬為 2 GHz。另外，使用調制頻率為 3 GHz 的 PRBS 信號作為相位調制源，在光譜線寬為 3 GHz 時實現(xiàn)了 1.17 kW近衍射極限輸出，功率的進一步提升主要受限于 SBS 效應。

2016 年，美國空軍實驗室的 Nader A. Naderi 等進一步采用雙波長種子注入和相位調制的方式實現(xiàn)了 1 kW 激光輸出，線寬為 2.3 GHz，實驗裝置如圖 7 所示。采用寬帶 1038 nm 和窄帶 1064 nm 的種子源同時注入，主放大級采用 25/400 增益光纖進行放大。種子源利用 PRBS 信號進行相位調制，通過雙波長激光器的增益競爭效應和相位調制展寬光譜來同時抑制 SBS 效應。在實驗中，通過優(yōu)化兩種波長種子源的功率配比和相位調制參數，最終在 1064 nm 波段實現(xiàn)了 1 kW 激光輸出，輸出激光光束的質量因子 M2 介于 1.1～1.2 之間，光譜線寬為 2.3 GHz。

韓國先進光學研究中心使用 20/400 保偏光纖搭建了全保偏光纖激光系統(tǒng)，實驗裝置如圖 8 所示。該系統(tǒng)采用調制頻率為 6.6 GHz 的 PRBS 信號調制單頻激光器，經放大后輸出功率達到 818 W，輸出效率為 85.2%，激光光譜線寬＜7 GHz，偏振消光比為 13 dB，功率的進一步提升主要受限于 SBS 效應。另外他們還理論預測了在10GHz 線寬下可實現(xiàn) 2.5 kW 激光輸出。

2020 年， 中國科學院上海光學精密機械研究所采用 PRBS 產生器產生調制頻率為 6.5 GHz， 調制格式為 9 的PRBS 相位調制信號，之后經過 2.2 GHz 的低頻濾波器進行濾波后分別調制 DBR 和 DFB 單頻種子源，使種子源光譜展寬為 2.2 GHz。DBR 和 DFB 種子源通過四級放大系統(tǒng)進行放大，實驗裝置如圖 9 所示。采用 DBR 和 DFB 種子源的激光器最終輸出功率分別達到 1.2 kW 和 1.27 kW，光譜中心波長分別為 1082 nm 和 1075 nm，光譜線寬為 2.2 GHz，光束質量為 M2＜1.2，在最高輸出功率下，產生較為明顯的 SBS 效應，功率的進一步提升主要受限于 SBS 效應。

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

（2）線寬＜100 GHz 光纖激光器

對于線寬在 10～100 GHz 范圍的光纖激光器，主要的技術方案包括基于少縱模光纖振蕩器功率放大結構和相位調制單頻激光器功率放大結構兩種方案。兩種方案的主要區(qū)別在于采用的種子源不同，基本結構均為 MOPA結構?；谥苯诱袷幤鞯恼€寬光纖激光器結構相對簡單，但是在放大過程中光譜線寬會不斷展寬，在較高輸出功率下，光譜線寬很難控制在很窄的范圍內，而相位調制多級放大的窄線寬光纖激光器在放大過程中光譜線寬幾乎不展寬，有利于光譜線寬的精確控制，但是結構相對較為復雜。因此，對于線寬要求較低的系統(tǒng)，可選擇采用基  于直接振蕩器的窄線寬光纖激光方案，對于線寬要求較為嚴格的系統(tǒng)，多采用相位調制多級放大結構。

2016 年，中國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，經光纖放大器放大后輸出功率達到了 2.9 kW，光譜線寬為 0.31 nm，輸出激光為多模激光，實驗裝置如圖 10 所示。在放大過程中，激光的光譜線寬不斷展寬，經理論計算表明，放大器中的光譜展寬與種子源中的縱模數量成線性關系，因此可以通過控制種子源  中的縱模數量來減弱放大過程中的光譜展寬。文中實驗對比了將兩種不同線寬的種子源注入到放大器中，放大級輸出線寬隨功率的變化情況，實驗結果與理論分析一致。

2019年，清華大學精密儀器系采用窄線寬光纖布拉格光柵搭建了少縱模光纖振蕩器，經過放大級放大后實現(xiàn)了 2.19 kW 激光輸出，輸出效率為 78.3%，實驗裝置如圖 11 所示。振蕩級采用 20/400 增益光纖，高反光柵和低反光柵的線寬分別為 1 nm 和 0.03 nm， 振蕩級的光譜線寬為 36.6 pm。采用 976 nm 半導體激光器反向泵浦基于 25/400 增益光纖的主放大系統(tǒng)進行功率放大，在 2190 W 輸出功率下光譜線寬展寬為 86.5 pm，光束質量為 M2＝1.46，在實驗中沒有觀察到 SBS 和 MI 效應產生。

2019年，韓國國防發(fā)展局地面技術研究所報道了 2.05 kW 窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖 12 所示。與清華大學精密儀器系 2.19 kW 窄線寬光纖激光器的技術方案類似，他們采用光譜線寬為 0.08 nm 的光纖光柵產生窄線寬振蕩器，放大級泵浦源為波長鎖定的 976 nm 半導體激光器，泵浦方式為正向泵浦，增益光纖為 20/400 摻鐿光纖， 經放大后輸出功率達到 2.05 kW，光譜線寬展寬為 0.24 nm，輸出激光的光束質量為 M2＝1.28。在最高輸出功率下，沒有發(fā)生 SBS 效應和 MI 效應，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，光譜線寬將會是限制其應用的主要因素。

2020 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所基于一對窄線寬保偏光柵和 10/130 保偏增益光纖構成振蕩腔，以此作為種子源，經過放大后實現(xiàn)了3kW 級窄線寬保偏光纖激光輸出，實驗裝置如圖 13 所示。實驗中，通過減短振蕩腔中的光纖長度以減小縱模數量，從而控制光譜展寬，當輸出功率為 3.08 kW 時，光譜線寬為 0.20 nm，光束質量為 M2＝1.4，偏振消光比（PER）為 94%。這是已報道的窄線寬全保偏光纖激光器的最高輸出功率，功率的進一步提升受限于 SRS 效應。

對于相位調制單頻激光器功率放大的方案，目前的研究更為廣泛。美國 IPG 公司于 2017 年報道了 1.5 kW 保偏窄線寬激光器和 2 kW 非保偏窄線寬激光器，輸出光譜線寬分別為 15 GHz 和 20 GHz，光束質量因子 M2＜1.1。2018 年，他們又進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，實驗方案如圖 14 所示，在最高輸出功率下，光譜線寬均為 30 GHz，光束質量因子 M2＜1.1。

2018 年，美國 nLight 公司將手性耦合纖芯光纖（CCC 光纖）應用到窄線寬光纖激光系統(tǒng)中，以抑制光纖激光器中的 MI 效應，實驗裝置如圖 15 所示，單頻激光器經相位調制后進行放大，最終實現(xiàn)了 20 GHz 線寬 2.4 kW 激光輸出，在 2.2 kW 輸出功率下達到 MI 閾值，進一步功率提升受限于 MI 效應。

國內，2015年，國防科技大學報道了線性偏振窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖16所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進行相位調制，通過增加正弦調制的級數可以增加光譜線寬，當光譜線寬為 6，18.5 和 45 GHz 時， 經過三級保偏放大級放大后， 激光輸出功率分別達到477， 1040 和 1890 W， 在 1520 W 輸出功率下， 光束質量為M 2＝1.19，M 2＝1.27，功率的進一步提升受限于 MI 效應。

2017 年，國防科技大學通過采用柱狀盤繞的方式抑制MI 效應，將窄線寬保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.43 kW， 實驗裝置如圖 17 所示。在最高輸出功率下，沒有發(fā)生 SBS和 MI 效應，光譜線寬為 0.255nm，偏振消光比為18.3dB， 功率的進一步提升主要受限于泵浦功率。

2015年，中國科學院上海光學精密機械研究所報道了1.75kW窄線寬光纖激光器，激光光束質量為M2＝1.77，光譜線寬20 GHz。2017 年，進一步采用 ASE 種子源，通過三級放大的激光系統(tǒng)，如圖 18 所示，實現(xiàn)了 2.7 kW 激光輸出，光束質量為 M2＜1.2，光譜線寬為 50 GHz，在最高輸出功率下，沒有發(fā)生 SBS 效應和 MI 效應，進一步功率提升受限于泵浦功率。

2018 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所采用白噪聲相位調制方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為0.18 nm，之后經過三級放大，實現(xiàn)了 3.5 kW 窄線寬光纖激光輸出，實驗裝置如圖 19 所示。輸出功率為 3.5 kW 時， 激光光譜線寬為 0.18 nm，沒有發(fā)生 SBS 效應，但是當激光輸出功率高于 3.17 kW 時，發(fā)生 MI 效應。當輸出功率為3.5 kW 時，激光光束質量為

，為多模激光。因此，對于該系統(tǒng)，限制其輸出功率進一步提升的主要因素是 MI 效應。

2019 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所又進一步研究了保偏窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖 20 所示。種子源采用白噪聲信號相位調制方式展寬單頻激光器光譜，之后通過多級放大器進行功率放大。實驗中對比了不同光譜線寬下的 SBS 閾值，當光譜線寬為 13 GHz 時，實現(xiàn)了 1.5 kW 線偏振激光輸出。隨著激光輸出功率的增加，輸出激光沒有發(fā)生明顯的模式劣化現(xiàn)象，即沒有達到 MI 閾值，功率的進一步提升受限于 SBS 效應。當光譜線寬為 32 GHz 時，實現(xiàn)了 2.62 kW 線偏激光輸出，光束質量為 M2＜1.3，偏振消光比為 96.3%，功率的進一步提升受限于 MI 效應。

表 2 給出了 10～100 GHz 線寬光纖激光器的主要研究成果?？偨Y來看，線寬在 100 GHz 以內的光纖激光器目前最高輸出功率為 3.5 kW，但是其光束質量較差，為多模激光輸出。輸出功率的進一步提升主要受限于 SBS 效應和 MI 效應。

1.3 短波長窄線寬光纖激光器

對于光譜合成技術，增加合成激光子束的數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量，提升光譜合成功率。目前常用的光譜合成范圍為 1050～1072 nm，進一步拓展窄線寬光纖激光器的波長范圍至 1030 nm 波段對光譜合成技術具有重要意義，因此，很多研究機構對短波長（波長小于 1040 nm）窄線寬光纖激光器進行了研究。本論文主要對 1030 nm 光纖激光器進行研究，將光譜合成激光子束的波長范圍擴展至 1030 nm。

不同波長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，對于短波長光纖激光器，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，產生的短波長激光很容易在增益光纖中被重吸收產生更長波長的激光輸出，即產生 ASE，使其輸出功率受限。

2011 年，耶拿大學的 O. Schmidt 等采用窄線寬 ASE 源作為種子光進行放大，種子源結構如圖 21 所示。采用兩個光柵將種子線寬控制在 12 pm，種子輸出功率為 400 mW，中心波長為 1030 nm。種子源經過兩級放大，第一級采用 40/200 的光子晶體光纖，第二級為 42/500 的光子晶體光纖，最終輸出功率為 697 W，光束質量為 M2＝1.34。

2016 年，美國空軍實驗室的 Nader A. Naderi 等使用 PRBS 信號調制 1030 nm 的單頻激光器作為種子源，種子源光譜線寬為 3.5 GHz，之后經放大級進行放大，實驗裝置如圖 22 所示。該系統(tǒng)將 1030 nm 波段的激光輸出功率提升至 1034 W，光譜線寬為 11 pm，放大級輸出效率為 80%，ASE 抑制比達 40 dB，光束質量為 M2＝1.1～1.2。實驗中通過控制增益光纖長度來抑制 SBS 和 ASE 效應。

2014 年，美國 Nufern 公司的 Ye Huang 等在 1028～1100 nm 的波長范圍內，實現(xiàn)了kw 級的激光輸出。實驗中主要對 1028 nm 和 1100 nm 的激光器進行了研究，并將結果與 1064 nm 的激光器對比，發(fā)現(xiàn)相比于傳統(tǒng)波段光纖激光器，短波長和長波長光纖激光器的 ASE 效應都會明顯增強。最終經過對 ASE 效應的抑制，在 1028 nm 波段實現(xiàn)了 1215 W 單模激光輸出，光光效率為 75%。

2016 年，美國 IPG 公司的 Roman Yagodkin 等對單頻激光器進行相位調制作為種子源，經放大后得到＞1.5 kW 激光輸出，激光中心波長范圍為 1030～1070 nm，光譜線寬＜15 GHz，不同波長下的輸出光譜圖如圖 23 所示。從光譜圖中可以看出，相對于 1064 nm 附近的激光，短波長激光光譜的 ASE 抑制比低約 15 dB。2017 年，美國 IPG 公司又對 1030 nm 的單頻激光器進行相位調制，使光譜展寬為20 GHz，經過三級預放大級后輸出功率達到 15～20 W，最后經主放大級放大后得到 2.2 kW 短波長激光輸出， 是目前1030 nm 波段光纖激光器的最高輸出功率。

綜上所述，由于 ASE 效應的影響，短波長窄線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 1064 nm 附近的窄線寬光纖激光器，還有很大的發(fā)展空間。

二 高功率窄線寬光纖激光器的限制因素

目前，高功率窄線寬光纖激光器的主要限制因素為 SBS 效應和 MI 效應。當光纖激光器的輸出功率達到 kW 級以上時，由于光纖纖芯中功率密度很高，產生 SBS 效應，它是限制窄線寬光纖激光輸出功率提升的重要因素。相比于 SBS 效應， MI 效應發(fā)現(xiàn)較晚， 直到 2010 年才被德國耶拿大學的研究者發(fā)現(xiàn)，之后迅速引起了各個研究機構的廣泛關注，其主要實驗現(xiàn)象是當光纖激光器的輸出功率提高到特定值后，光纖中穩(wěn)定傳輸的基模會發(fā)生模式劣化，產生強度和相位不斷變化的高階模式。MI 效應產生的根源在于大模場光纖無法做到只支持基橫模運轉，而是同時還支持一個以上的高階模運轉。種子相位噪聲或者強度噪聲中的高階模成分在增益光纖中傳輸時，會與基模發(fā)生相互干涉作用，從而產生周期性的縱向和橫向的強度分布，  激光量子虧損加熱與信號光場強度的正相關導致光纖出現(xiàn)橫向和縱向的溫度梯度，熱光效應形成熱致折射率光柵，其周期與模式干涉拍長相匹配，這種光柵反過來增強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致 MI效應的出現(xiàn)。MI效應具有明顯的閾值特性，在閾值之下，激光器輸出光束質量較好，在閾值之上，光束質量急劇劣化，近場出現(xiàn)基模與高階模的 ms級的跳變。在窄線寬光纖激光器中，主要通過增大模場面積，減小光纖纖芯中功率密度來抑制 SBS 效應，而提高 MI 閾值的重要方式是通過減小模場面積減少光纖中傳導的模式數量。因此，SBS 效應的抑制和 MI 閾值的提升相互制約，如何同時抑制兩種非線性效應，實現(xiàn)兩者的平衡是實現(xiàn)更高功率輸出的單模窄線寬光纖激光器的關鍵問題。另外，線偏振窄線寬光纖激光器也是目前的一個主要發(fā)展方向，偏振控制是實現(xiàn)線偏振光纖激光器的關鍵技術。

三 結 論

高功率窄線寬光纖激光器在光束合成等領域具有廣泛的應用前景，近年來得到了快速發(fā)展。本文在回顧了高功率窄線寬光纖激光技術的研究現(xiàn)狀之后，對目前發(fā)展的主要限制因素進行了描述和說明，即激光器中非線性效應和模式不穩(wěn)定效應限制了其輸出功率的提升和輸出激光光束質量的優(yōu)化。進一步提高光纖激光器的性能仍是未來窄線寬光纖激光器發(fā)展的主要方向，如繼續(xù)提高輸出功率，改善窄線寬光纖激光的光束質量，拓展窄線寬光纖   激光器的波段，繼續(xù)壓窄激光的光譜線寬，線偏振窄線寬激光輸出以及進行整機小型化、實用化、智能化的研究。