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 IPG 光纖激光器單纖輸出功率最高可達(dá) 20 kW[7]，而國內(nèi)國防科技大學(xué)、清華大學(xué)、中國工程物理研究院也相繼研制出 10 kW 級的光纖激光器[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(zhì)量特性[15-17]。這種高功率窄線寬激光器在引力探測、非線性頻率轉(zhuǎn)換等基礎(chǔ)科研和國防工業(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(jié)構(gòu)光纖激光器

自由空間結(jié)構(gòu)光纖激光器對激光器器件要求低，可兼容多種光纖結(jié)構(gòu)，提高光纖激光器的輸出能力。對于窄線寬光纖激光器，目前主要的技術(shù)路線是對單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制展寬光譜來抑制光纖中的非線性效應(yīng)，該種子源在光纖放大級中放大，從而實(shí)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(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調(diào)制單頻種子光，將線寬展寬為 450 MHz，再經(jīng)過三級放大實(shí)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(yīng)， 輸出激光的光束質(zhì)量為M2＜1.4[18]。

2016 年，耶拿大學(xué)在放大級中采用低數(shù)值孔徑的光纖來抑制模式不穩(wěn)定（MI）效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了單模 3 kW 激光輸出， 光譜線寬為 0.17 nm。種子源采用單頻激光器相位調(diào)制源， 放大級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(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)行窄線寬激光器實(shí)驗(yàn)， 放大級結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。當(dāng)放大級采用低數(shù)值孔徑的 30/460 增益光纖時，輸出功率達(dá)到了 2.8 kW，光譜線寬為 0.18 nm，MI 效應(yīng)抑制了輸出功率的進(jìn)一步提升。當(dāng)放大級采用 23/460 增益光纖時， 單模激光的輸出功率達(dá)到了 3.5 kW， 光譜線寬為0.18 nm，功率的進(jìn)一步提升主要受限于 SBS 效應(yīng)，這是目前已報道的單模窄線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 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） 信號調(diào)制單頻激光器， 經(jīng)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(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(jìn)展。

（1）線寬＜10 GHz 光纖激光器

2012 年，國防科技大學(xué)采用白噪聲信號對單頻激光器進(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)過四級放大器進(jìn)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[22]。2015 年，國防科技大學(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)，對窄線寬種子源進(jìn)行放大，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 4 所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進(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寬展寬為2.9 GHz，采用三級放大結(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，光譜線寬保持為 2.9 GHz，光束質(zhì)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(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)，搭建了四級放大的窄線寬光纖激光器，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 信號作為相位調(diào)制源，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)來抑制 SBS 效應(yīng)，最終獲得了 1 kW 窄線寬激光輸出，光束質(zhì)量為 M2＝1.1，光譜線寬為 2 GHz[25]。另外，使用調(diào)制頻率為 3 GHz 的 PRBS 信號作為相位調(diào)制源，在光譜線寬為 3 GHz 時實(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，美國空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等進(jìn)一步采用雙波長種子注入和相位調(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 的種子源同時注入，主放大級采用 25/400 增益光纖進(jìn)行放大。種子源利用 PRBS 信號進(jìn)行相位調(diào)制，通過雙波長激光器的增益競爭效應(yīng)和相位調(diào)制展寬光譜來同時抑制 SBS 效應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，通過優(yōu)化兩種波長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，光譜線寬為 2.3 GHz[27]。

韓國先進(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)測了在 10 GHz 線寬下可實(shí)現(xiàn) 2.5 kW 激光輸出。

2020 年， 中國科學(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，之后經(jīng)過 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 種子源通過四級放大系統(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，光譜中心波長分別為 1082 nm 和 1075 nm，光譜線寬為 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，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(jié)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(yīng)。

（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(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)。基于直接振蕩器的窄線寬光纖激光器結(jié)構(gòu)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(nèi)，而相位調(diào)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(jié)構(gòu)相對較為復(fù)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(yán)格的系統(tǒng)，多采用相位調(diào)制多級放大結(jié)構(gòu)。

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(jīng)光纖放大器放大后輸出功率達(dá)到了 2.9 kW，光譜線寬為 0.31 nm，輸出激光為多模激光，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 10 所示。在放大過程中，激光的光譜線寬不斷展寬，經(jīng)理論計算表明，放大器中的光譜展寬與種子源中的縱模數(shù)量成線性關(guān)系，因此可以通過控制種子源 中的縱模數(shù)量來減弱放大過程中的光譜展寬。文中實(shí)驗(yàn)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(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寬光纖布拉格光柵搭建了少縱模光纖振蕩器，經(jīng)過放大級放大后實(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(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 輸出功率下光譜線寬展寬為 86.5 pm，光束質(zhì)量為 M2＝1.46，在實(shí)驗(yàn)中沒有觀察到 SBS 和 MI 效應(yīng)產(chǎn)生[31]。

2019 年，韓國國防發(fā)展局地面技術(shù)研究所報道了 2.05 kW 窄線寬光纖激光器，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 窄線寬光纖激光器的技術(shù)方案類似，他們采用光譜線寬為 0.08 nm 的光纖光柵產(chǎn)生窄線寬振蕩器，放大級泵浦源為波長鎖定的 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，光譜線寬將會是限制其應(yīng)用的主要因素[32]。

2020 年，中國工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所基于一對窄線寬保偏光柵和 10/130 保偏增益光纖構(gòu)成振蕩腔，以此作為種子源，經(jīng)過放大后實(shí)現(xiàn)了 3 kW 級窄線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，通過減短振蕩腔中的光纖長度以減小縱模數(shù)量，從而控制光譜展寬，當(dāng)輸出功率為 3.08 kW 時，光譜線寬為 0.20 nm，光束質(zhì)量為 M2＝1.4，偏振消光比（PER）為 94%[33]。這是已報道的窄線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 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(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，光譜線寬均為 30 GHz，光束質(zhì)量因子 M2＜1.1[35]。

2018 年，美國 nLight 公司將手性耦合纖芯光纖（CCC 光纖）應(yīng)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(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]。

國內(nèi)，2015 年，國防科技大學(xué)報道了線性偏振窄線寬光纖激光器，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 16 所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進(jìn)行相位調(diào)制，通過增加正弦調(diào)制的級數(shù)可以增加光譜線寬，當(dāng)光譜線寬為 6，18.5 和 45 GHz 時， 經(jīng)過三級保偏放大級放大后， 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，國防科技大學(xué)通過采用柱狀盤繞的方式抑制MI 效應(yīng)，將窄線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，沒有發(fā)生 SBS和 MI 效應(yīng)，光譜線寬為 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，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所報道了1.75 kW窄線寬光纖激光器，激光光束質(zhì)量為M2＝1.77，光譜線寬20 GHz[39]。2017 年，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了 2.7 kW 激光輸出，光束質(zhì)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(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寬展寬為0.18 nm，之后經(jīng)過三級放大，實(shí)現(xiàn)了 3.5 kW 窄線寬光纖激光輸出，實(shí)驗(yàn)裝置如圖 19 所示。輸出功率為 3.5 kW 時， 激光光譜線寬為 0.18 nm，沒有發(fā)生 SBS 效應(yīng)，但是當(dāng)激光輸出功率高于 3.17 kW 時，發(fā)生 MI 效應(yīng)。當(dāng)輸出功率為3.5 kW 時，激光光束質(zhì)量為

，為多模激光。因此，對于該系統(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相位調(diào)制方式展寬單頻激光器光譜，之后通過多級放大器進(jìn)行功率放大。實(shí)驗(yàn)中對比了不同光譜線寬下的 SBS 閾值，當(dāng)光譜線寬為 13 GHz 時，實(shí)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(dá)到 MI 閾值，功率的進(jìn)一步提升受限于 SBS 效應(yīng)[42]。當(dāng)光譜線寬為 32 GHz 時，實(shí)現(xiàn)了 2.62 kW 線偏激光輸出，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 線寬光纖激光器的主要研究成果?？偨Y(jié)來看，線寬在 100 GHz 以內(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 短波長窄線寬光纖激光器

對于光譜合成技術(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)一步拓展窄線寬光纖激光器的波長范圍至 1030 nm 波段對光譜合成技術(shù)具有重要意義，因此，很多研究機(jī)構(gòu)對短波長（波長小于 1040 nm）窄線寬光纖激光器進(jìn)行了研究。本論文主要對 1030 nm 光纖激光器進(jìn)行研究，將光譜合成激光子束的波長范圍擴(kuò)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(chǎn)生的短波長激光很容易在增益光纖中被重吸收產(chǎn)生更長波長的激光輸出，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(jīng)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(zhì)量為 M2＝1.34[46]。

2016 年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室的 Nader A. Naderi 等使用 PRBS 信號調(diào)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(jīng)放大級進(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，光譜線寬為 11 pm，放大級輸出效率為 80%，ASE 抑制比達(dá) 40 dB，光束質(zhì)量為 M2＝1.1～1.2。實(shí)驗(yàn)中通過控制增益光纖長度來抑制 SBS 和 ASE 效應(yīng)[47-48]。

2014 年，美國 Nufern 公司的 Ye Huang 等在 1028～1100 nm 的波長范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了kw 級的激光輸出[49]。實(shí)驗(yàn)中主要對 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(yīng)都會明顯增強(qiáng)。最終經(jīng)過對 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 IPG 公司的 Roman Yagodkin 等對單頻激光器進(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，激光中心波長范圍為 1030～1070 nm，光譜線寬＜15 GHz[50]，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(jìn)行相位調(diào)制，使光譜展寬為20 GHz，經(jīng)過三級預(yù)放大級后輸出功率達(dá)到 15～20 W，最后經(jīng)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[50]。

綜上所述，由于 ASE 效應(yīng)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。

2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(yīng)和 MI 效應(yīng)。當(dāng)光纖激光器的輸出功率達(dá)到 kW 級以上時，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 年才被德國耶拿大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)[52]，之后迅速引起了各個研究機(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l(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光纖無法做到只支持基橫模運(yùn)轉(zhuǎn)，而是同時還支持一個以上的高階模運(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，會與基模發(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光場強(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相匹配，這種光柵反過來增強(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，近場出現(xiàn)基模與高階模的 ms 級的跳變[56-57]。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(yīng)[58-59]，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(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，如何同時抑制兩種非線性效應(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寬光纖激光器的關(guān)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(shí)現(xiàn)線偏振光纖激光器的關(guān)鍵技術(shù)。

結(jié)論

高功率窄線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(shù)的研究現(xiàn)狀之后，對目前發(fā)展的主要限制因素進(jìn)行了描述和說明，即激光器中非線性效應(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(zhì)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(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，來自中國工程物理研究院激光聚變研究中心。

參考文獻(xiàn)：

[1]Shi Wei, Fang Qiang, Zhu Xiushan, et al. Fiber lasers and their applications[J]. Applied Optics, 2014, 53（28）: 6554-6558.

[2]Qu Zhou, Li Qiushi, Meng Hailong, et al. Application and the key technology on high-power fiber-optic laser in laser weapon[C]//Proc of SPIE. 2014: 92940C.

[3]Naeem M. Advances in drilling with fiber lasers[C]//Industrial Laser Applications Symposium. 2015.

[4]Tony H. Laser marking with fiber lasers[J]. Industrial Laser Solutions, 2012, 27（5）: 7.

[5]Clery D. Laser fusion, with a difference [J]. Science, 2015, 347(6218):111-112.

[6]Zervas M N, Codemard C A. High power fiber lasers: a review[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, 20（5）: 219-241.

[7]Shiner B. The impact of fiber laser technology on the world wide material processing market[C]//Conference on Lasers and Electro-Optics. 2013.

[8]Lin Honghuan, Xu Lixin, Li Chengyu, et al. 10.6 kW high-brightness cascade-end-pumped monolithic fiber lasers directly pumped by laser diodes in step-index large mode area double cladding fiber[J]. Results in Physics, 2019, 14: 102479.

[9]Lin Aoxiang, Zhan Huan, Peng Kun, et al. 10 kW-level pump-gain integrated functional laser fiber[C]//Asia Communications and Photonics Conference. 2018.

[10]Dawson J W, Messerly M J, Beach R J, et al. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[J]. Optics Express, 2008, 16（17）: 13240-13266.

[11]Zhu Jiajian, Zhou Pu, Ma Yanxing, et al. Power scaling analysis of tandem-pumped Yb-doped fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19: 18645-18654.

[12]Otto H J, Jauregui C, Limpert J, et al. Average power limit of fiber-laser systems with nearly diffraction-limited beam quality[C]//Proc of SPIE. 2016:97280E.

[13]Liu Zejin, Zhou Pu, Xu Xiaojun, et al. Coherent beam combining of high power fiber lasers: Progress and prospect[J]. Science China (Technological Sciences), 2013, 56（7）: 1597-1606.

[14]Madasamy P, Thomas A, Loftus T, et al. Comparison of spectral beam combining approaches for high power fiber laser systems[C]//Proc of SPIE. 2008: 695207.

[15]蒲世兵, 姜宗福, 許曉軍. 基于體布拉格光柵的光譜合成的數(shù)值分析[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2008, 20（5）：721-724. （Pu Shibing, Jiang Zongfu, Xu Xiaojun.Numerical analysis of spectral beam combining by volume Bragg grating[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20（5）: 721-724）

[16]姜曼, 馬鵬飛, 周樸, 等. 基于多層電介質(zhì)光柵光譜合成的光束質(zhì)量[J]. 物理學(xué)報, 2016, 65：104203. （Jiang Man, Ma Pengfei, Zhou Pu, et al. Beam quality in spectral beam combination based on multi-layer dielectric grating[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65: 104203）

[17]Tian Fei, Yan Hong, Chen Li, et al. Investigation on the influence of spectral linewidth broadening on beam quality in spectral beam combination[C]//Proc of SPIE. 2015:92553N.

[18]Doruk E, Lu W, Akbulut M, et al. 1 kW CW Yb-fiber-amplifier with＜0.5 GHz linewidth and near-diffraction limited beam-quality for coherent combining application[C]//Proc of SPIE. 2011: 791407.

[19]Beier F, Hupel C, Nold J, et al. Narrow linewidth, single mode 3 kW average power from a directly diode pumped ytterbium-doped low NA fiber amplifier[J]. Optics Express, 2016, 24（6）: 6011-6020.

[20]Liem A, Tünnermann A, Sattler B, et al. Single mode 4.3 kW output power from a diode-pumped Yb-doped fiber amplifier[J]. Optics Express, 2017, 25（13）: 14892-14899.

[21]Yu C X, Shatrovoy O, Fan T Y, et al. Diode-pumped narrow linewidth multi-kilowatt metalized Yb fiber amplifier[J]. Optics Letters, 2016, 41（22）: 5202- 5205.

[22]王小林, 周樸, 肖虎, 等. 窄線寬全光纖激光器實(shí)現(xiàn)666 W高功率輸出[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2012, 24（6）：1261-1262. （Wang Xiaolin, Zhou Pu, Xiao Hu, et al. Narrow linewidth all-fiber laser with 666 W power output[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24（6）: 1261-1262）

[23]Ran Yang, Tao Rumao, Ma Pengfei, et al. 560 W all fiber and polarization-maintaining amplifier with narrow linewidth and near-diffraction-limited beam quality[J]. Applied Optics, 2015, 54（24）: 7258-7263.

[24]張利明, 周壽桓, 趙鴻, 等. 780 W全光纖窄線寬光纖激光器[J]. 物理學(xué)報, 2014, 63：134205. （Zhang Liming, Zhou Shouhuan, Zhao Hong, et al. 780 W narrow linewidth all fiber laser[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63: 134205）

[25]Naderi N A, Flores A, Anderson B M, et al. Beam combinable, kilowatt, all-fiber amplifier based on phase-modulated laser gain competition[J]. Optics Letters, 2016, 41（17）: 3964-3967.

[26]Dajani I, Flores A, Ehrenreich T. Multi-kilowatt power scaling and coherent beam combining of narrow-linewidth fiber lasers [C]//Proc fo SPIE. 2016: 972801.

[27]Flores A, Robin C, Lanari A, et al. Pseudo-random binary sequence phase modulation for narrow linewidth, kilowatt, monolithic fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2014, 22（15）: 17735-17744.

[28]Jun C, Jung M, Shin W, et al. 818 W Yb-doped amplifier with < 7 GHz linewidth based on pseudo-random phase modulation in polarization-maintained all- fiber configuration[J]. Laser Physics Letters, 2019, 16: 015102.

[29]Liu Meizhong, Yang Yifeng, Shen Hui, et al. 1.27 kW, 2.2 GHz pseudo random binary sequence phase modulated fiber amplifier with Brillouin gain spectrum overlap[J]. Scientific Reports, 2020, 10: 629.

[30]Huang Zhihua, Liang Xiaobao, Li Chengyu, et al. Spectral broadening in high-power Yb-doped fiber lasers employing narrow-linewidth multilongitudinal-mode oscillators[J]. Applied Optics, 2016, 55（2）: 297-302.

[31]Huang Yusheng, Yan Ping, Wang Zehui, et al. 2.19 kW narrow linewidth FBG-based MOPA configuration fiber laser[J]. Optics Express, 2019, 27（3）: 3136- 3145.

[32]Junsu L, Kwang H L, Hwanseong J, et al. 2.05 kW all-fiber high-beam-quality fiber amplifier with stimulated Brillouin scattering suppression incorporating a narrow-linewidth fiber-Bragg-grating-stabilized laser diode seed source[J]. Applied Optics, 2019, 58（23）: 6251-6256.

[33]王巖山, 王玨, 常哲, 等. 基于簡單MOPA結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)3.08 kW全光纖窄線寬線偏振激光輸出[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2020, 32：011006. （Wang Yanshan, Wang Jue, Chang Zhe, et al. Output of 3.08 kW narrow linewidth linearly polarized all-fiber laser based on a simple MOPA structure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 011006）

[34]Platonov N, Yagodkin R, Cruz J, et al. 1.5 kW linear polarized on PM fiber and 2 kW on non-PM fiber narrow linewidth CW diffraction-limited fiber amplifier

[C]//Proc of SPIE. 2017: 100850M.

[35]Nikolai P, Roman Y, Joel D L C, et al. Up to 2.5 kW on non-PM fiber and 2.0 kW linear polarized on PM fiber narrow linewidth CW diffraction-limited fiber amplifiers in all-fiber format[C]//Proc of SPIE. 2018: 105120E.

[36]Kanskar M, Zhang J, Kaponen J, et al. Narrowband transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped fiber amplifiers for directed energy applications[C]//Proc of SPIE. 2018: 2291253.

[37]Ma Pengfei, Tao Rumao, Su Rongtao, et al. 1.89 kW all-fiberized and polarization-maintained amplifiers with narrow linewidth and near-diffraction-limited beam quality[J]. Optics Express, 2016, 24（4）: 4187-4195.

[38]Su Rongtao, Tao Rumao, Wang Xiaolin, et al. 2.43 kW narrow linewidth linearly polarized all-fiber amplifier based on mode instability suppression[J]. LaserPhysics Letters, 2017, 14: 085102.

[39]Qi Yunfeng, Lei Ming, Liu Chi, et al. 1.75 kW CW narrow linewidth Yb-doped all-fiber amplifiers for beam combining application[C]//Conference on Lasers andElectro-Optics. 2015: ATu4M.4.

[40]Qi Yunfeng, Yang Yifeng, Shen Hui, et al. 2.7 kW CW narrow linewidth Yb-doped all-fiber amplifiers for beam combining application [C]//Advanced Solid- State Lasers. 2017: ATu3A.1.

[41]Li Tenglong, Zha Congwen, Sun Yinhong, et al. 3.5 kW bidirectionally pumped narrow-linewidth fiber amplifier seeded by white-noise-source phase-modulated laser[J]. Laser Physics, 2018, 28: 105101.

[42]Chang Zhe, Wang Yanshan, Sun Yinhong, et al. 1.5 kW polarization-maintained Yb-doped amplifier with 13 GHz linewidth by suppressing the self-pulsing and stimulated Brillouin scattering[J]. Applied Optics, 2019, 58（23）: 6419.

[43]王巖山, 馬毅, 孫殷宏, 等. 2.62 kW, 30 GHz窄線寬線偏振近衍射極限全光纖激光器[J]. 中國激光, 2019, 46（12）：1215001. （Wang Yanshan, Ma Yi, Sun Yinhong, et al. 2.62 kW, 30 GHz linearly polarized all-fiber laser with narrow linewidth and near diffraction limit beam quality[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46（12）: 1215001）

[44]Ott D, Divliansky I, Anderson B, et al. Scaling the spectral beam combining channels in a multiplexed volume Bragg grating[J]. Optics Express, 2013, 21（24）: 29620-29627.

[45]Andrusyak O, Ciapurin I, Smirnov V, et al. Spectral beam combining of fiber lasers with increased channel density[C]//Proc of SPIE. 2007: 64531L.

[46]Schmidt O, Rekas M, Wirth C, et al. High power narrow-band fiber-based ASE source[J]. Optics Express, 2011, 19: 4421-4427.

[47]Naderi N A, Dajani I, and Flores A. High-efficiency, kilowatt 1034 nm all-fiber amplifier operating at 11 pm linewidth[J]. Optics Letters, 2016, 41（5）: 1018- 1021.

[48]Naderi N A, Flores A, Anderson B M, et al. Kilowatt high-efficiency narrow-linewidth monolithic fiber amplifier operating at 1034 nm[C]// Proc of SPIE. 2016: 972803.

[49]Huang Y, Edgecumbe J, Ding J, et al. Performance of kW class fiber amplifiers spanning a broad range of wavelengths: 1028~1100 nm[C]//Proc of SPIE. 2014:89612K.

[50]Yagodkin R, Platonov N, Yusim A, et al.＞1.5 kW narrow linewidth cw diffraction-limited fiber amplifier with 40 nm bandwidth[C]//Proc of SPIE. 2016: 972807.

[51]Moloney J V, Newell A C. Nonlinear optics[J]. Physics D Nonlinear Phenomena, 1990, 44（1）: 1-37.

[52]Eidam T, Wirth C, Jauregui C, et al. Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（14）: 13218-13224.

[53]Smith A V, Smith J J. Mode competition in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（12）: 11318-29.

[54]Hansen K R, Alkeskjold T T, Broeng J, et al. Theoretical analysis of mode instability in high-power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2013, 21（2）: 1944- 1971.

[55]Smith A V, Smith J J. Mode instability in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（11）: 10180-10192.

[56]Smith J J, Smith A V. Influence of signal bandwidth on mode instability threshold of fiber amplifiers[C]//Proceedings of SPIE. 2014: 93440L.

[57]Otto H J, Stutzki F, Jansen F, et al. Temporal dynamics of mode instabilities in high-power fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2012, 20（14）: 15710.

[58]Broderick N G R, Offerhaus H L, Richardson D J, et al. Large mode area fibers for high power applications[J]. Optics Fiber Technology, 1999, 5（2）: 185-196.

[59]Shiraki K, Ohashi M, Tated M. Suppression of stimulated brillouin scattering in a fibre by changing the core radius[J]. Electronic Letter, 1995, 31（8）: 668-669.

[60]Jauregui C, Otto H J, Stutzki F, et al. Passive mitigation strategies for mode instabilities in high-power fiber laser systems[J]. Optics Express, 2013, 21（16）: 19375-19386.