高功率窄线宽线偏振光纤激光器的研究进展

作者及发表信息

本项研究由来自中国工程物理研究院激光聚变研究中心（Laser Fusion Research Center, Chinese Academy of Engineering Physics）和南京理工大学电子工程与光电技术学院（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology, Nanjing University of Science and Technology）的联合研究团队完成。主要作者包括Zixiang Gao、Qiang Shu、Fang Li等，通讯作者为Qiuhui Chu和Rumao Tao。该研究成果于2025年7月11日发表在期刊《Photonics》上，题目为”A 6 kW Level Linearly Polarized Near-Diffraction-Limited Monolithic Fiber Laser with a 0.43 nm Linewidth”，文章DOI号为https://doi.org/10.3390/photonics12070701。

学术背景与研究动机

该研究属于高功率光纤激光技术领域，特别是线偏振（Polarization-Maintaining, PM）、窄线宽（narrow linewidth）、近衍射极限（near-diffraction-limited）光纤激光器的功率提升研究。这类激光器因其优异的空间-时间相干性、高电光转换效率、高效热管理能力和近乎免维护的紧凑结构，在非线性频率转换、远程通信、光束合成和引力波探测等领域有广泛应用需求。

随着应用需求的增长，提高激光亮度（brightness）一直是全球研究人员的关注焦点。在实际功率提升过程中，受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS）效应因其偏振依赖性成为主要的物理限制因素。研究团队通过级联白噪声源（White Noise Source, WNS）相位调制和双向泵浦（bidirectional pumping）方案，成功实现了5870 W的激光功率输出，在保持窄线宽和优良偏振特性的同时突破了SBS限制。

研究材料与方法

实验装置设计

实验采用主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier, MOPA）结构（图1a）。种子激光为1064 nm连续波单频光纤激光器，输出功率30 mW，线宽小于10 kHz。通过两个级联的电光相位调制器（EOM1,EOM2）对种子激光进行谱线展宽，将线宽从0.23 nm（单级）扩展到0.32 nm（级联），有效抑制SBS效应。

放大系统分为预放大和主放大两个阶段： 1. 预放大阶段包括两个预放大器（PA-I和PA-II），分别使用5 W和30 W多模激光二极管（Multimode Laser Diode, MM LD）泵浦一块3 m长的PM ¹⁰⁄₁₂₅ μm掺镱光纤（Yb-doped Fiber, YDF），将信号光功率依次提升至600 mW和20 W。 2. 主放大阶段采用20/400 μm PM大模场面积掺镱光纤（Large Mode Area YDF, LMA-YDF），通过两个（6+1）×1 PM泵浦/信号合束器实现双向泵浦，输出端接入1.8 m长的PM传能光纤。

关键技术突破

1. SBS抑制技术：采用级联白噪声源相位调制方案，相比单频运转将SBS阈值提高了21.4 dB（从50.06 W提升至6825.64 W）。
2. 模式不稳定性(TMI)管理：通过优化有源光纤的盘绕方法增加高阶模（Higher Order Modes, HOMs）的相对损耗，提升TMI阈值。
3. 偏振控制：采用高精度保偏熔接工艺（对准误差小于1°），结合优化的光纤盘绕方法抑制应力双折射；集成双向泵浦和温度控制系统有效增强了系统消光比性能。

测量系统

测量系统（图1b）包含功率计、高透射镜、光谱分析仪、光束质量分析仪等设备，可实现对输出功率、光谱特性、光束质量和偏振消光比（Polarization Extinction Ratio, PER）的精确测量。

主要研究结果

1. 功率输出：系统实现了5870 W的最高输出功率，总泵浦功率为7431.7 W，光光转换效率达到79.13%。
2. 线宽特性：3 dB线宽为0.43 nm（114 GHz）。线宽随功率提升略有展宽（从8 W时的0.32 nm到4113 W时的0.43 nm），主要归因于非线性效应。
3. 光束质量：在最大输出功率下测得Mx2=1.211和My2=1.327，接近衍射极限。通过模式分解（Mode Decomposition, MD）分析，基模（LP01）占比高达97.61%，表明系统非常适合光束合成应用。
4. 偏振特性：在整个功率放大过程中，偏振消光比（PER）保持在13.6 dB（95.7%）至16.3 dB（97.7%）之间；在5870 W时达到16.3 dB（97.7%）。
5. 非线性效应限制：系统最终受限于SBS而非受激拉曼散射（SRS）或TMI。SRS峰比信号峰低50.32 dB，表明功率提升并未受SRS限制。

理论分析与数值模拟

通过数值模拟预测了不同调制方案下的SBS阈值： - 单频运转时SBS阈值为50.06 W - 单级WNS调制（0.24 nm线宽）阈值提高到5100.95 W - 级联WNS调制（0.32 nm线宽）阈值达到6825.64 W

实验测得的SBS阈值（5870 W）比数值预测低约14%，这种差异可能源于： 1. RF驱动电路中的信号失真导致非理想调制波形 2. 输出端帽和多个熔接点的离散反射增强了布里渊种子 3. 泵浦功率分布差异（模拟假设反向泵浦比为80%，实际为65.45%）

研究结论与展望

该研究实现了6 kW水平、1064 nm波长、全光纤化保偏放大器的突破性进展，在保持0.43 nm窄线宽和近衍射极限光束质量的同时，获得了5870 W的最高输出功率。这是目前报道的6 kW级PM光纤激光系统中获得的最高光谱亮度和PER值。

创新点包括： 1. 通过级联WNS相位调制有效抑制SBS 2. 优化设计和工艺控制实现了近乎完美的偏振保持性能 3. 系统设计和集成方案将多种非线性效应阈值提升至6 kW水平

未来研究方向包括： 1. 通过光纤材料工程（如硼硅酸盐掺杂）进一步抑制SBS增益系数 2. 优化泵浦配置和光纤长度提升非线性效应阈值 3. 开发热优化Yb 20/400光纤，同时抑制SBS和热透镜效应

研究价值与应用前景

这项成果在高功率窄线宽线偏振光纤激光器发展中具有里程碑意义。其科学价值在于： 1. 揭示了高功率条件下SBS、TMI等多种非线性效应的相互作用机制 2. 提出了级联相位调制和优化的光纤设计方法，为更高功率输出提供了技术路径 3. 建立了保持光束质量、偏振纯度和光谱特性的系统性解决方案

在应用价值方面，这一成果将直接促进： 1. 光束合成系统的性能提升 2. 非线性频率转换效率的提高 3. 引力波探测等精密测量应用的系统简化 4. 工业加工中高亮度激光源的实用化

这项研究代表了当前高功率窄线宽光纤激光器技术的国际领先水平，为相关科学与应用研究提供了重要的工具和参考。