国防科技大学团队实现4.5千瓦、1050纳米近单模全光纤激光振荡器双端输出
一、 研究团队与发表信息
本研究的主要作者包括李科、叶云、李欣然、丁欣怡、徐小勇、粟荣涛、王小林、宁禹、习锋杰，他们均来自国防科技大学前沿交叉学科学院及南湖之光实验室。该研究成果以论文《4.5 kw, 1050 nm双端输出近单模全光纤激光振荡器》的形式，发表于《物理学报》（Acta Physica Sinica）2025年第74卷第10期。
二、 学术背景与研究目的
本研究属于高功率光纤激光器技术领域，具体聚焦于短波长、双端输出光纤激光振荡器的研发。高功率掺镱光纤激光器因其结构紧凑、热管理方便、功率拓展性强等优势，在工业加工、材料处理、生物医疗及航空航天等领域有广泛应用前景。然而，随着输出功率的不断提升，光纤中的非线性效应，如受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和横向模式不稳定效应（Transverse Mode Instability, TMI），成为限制激光器功率和光束质量进一步提升的主要瓶颈。
目前，常规波长（1060-1080 nm）的近单模光纤激光器已实现数十千瓦输出，但波长小于1060 nm的“短波长”光纤激光器，由于镱离子对短波长激光存在较强的重吸收作用，导致严重的放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission, ASE）效应，其功率提升相对缓慢。此外，以往报道的高功率短波长光纤激光器均采用传统的单端输出结构。相比之下，双端输出光纤激光器仅需一个谐振腔即可实现两路激光同步输出，具有功率分布更均衡（可降低腔内功率密度，有利于提升非线性效应阈值）、系统结构更简化（减少器件数量、冷却和控制系统）、成本更低、体积重量更小等潜在优势，尤其适用于需要并行加工或后续功率合成的工业场景。
尽管双端输出结构在常规波长已有研究报道（如实现2×2 kW、2×4 kW输出），但在短波长波段（如1050 nm）的双端输出特性、非线性效应演化规律以及实现高功率高光束质量输出等方面，尚无公开研究。因此，本研究旨在填补这一空白，具体目标包括：1）建立1050 nm双端输出光纤激光振荡器的理论模型，分析关键参数（如增益光纤长度）对输出性能和非线性效应的影响；2）搭建实验装置，研究不同泵浦方式（单向与双向）下激光器的输出特性；3）探索通过优化谐振腔参数（如增益光纤长度）来抑制ASE和SRS等有害效应的有效途径，最终实现高功率、高光束质量、高效率的1050 nm近单模双端激光输出。
三、 详细研究流程
本研究流程清晰，可分为理论仿真与实验验证两大部分。
第一部分：理论建模与仿真分析 研究团队首先基于光纤稳态速率方程，建立了1050 nm双端输出光纤激光振荡器的理论模型。该模型综合考虑了泵浦光与信号光在增益光纤中的传播、粒子数反转、ASE以及SRS效应。模型的核心方程描述了激发态粒子数密度、泵浦光功率和信号光功率沿光纤长度的演化。边界条件由谐振腔两端光纤布拉格光栅（FBG）的反射率设定，通过将两端FBG的反射率均设置为较低的值（如10%），即可在数学模型上实现双端激光输出。利用此模型，研究人员进行了数值仿真，核心目标是研究增益光纤长度对激光器性能的关键影响。仿真中设定的主要参数包括：信号光中心波长1050 nm，泵浦光波长976 nm，总泵浦功率6000 W，使用的增益光纤为纤芯/内包层直径20/400 μm的双包层掺镱光纤，两端FBG反射率均为10%。研究团队系统仿真了增益光纤长度从8.6米到16.6米变化时，激光器A端、B端输出功率、总输出功率、光-光转换效率以及输出光谱（特别是SRS强度）的变化规律。
第二部分：实验装置搭建与特性研究 在理论指导下，研究团队搭建了双向泵浦的1050 nm双端输出全光纤激光振荡器实验平台。实验装置的核心是一个线性谐振腔，由一对中心波长约为1050 nm、反射率约为10%的低反射率光纤光栅（FBG-a和FBG-b）和一段长约14.6米的20/400 μm双包层掺镱增益光纤构成。为实现有效的横向模式控制，将增益光纤弯曲盘绕在跑道型水冷板上。泵浦源采用中心波长为976 nm的半导体激光器（LD），通过前向和后向两个(6+1)×1泵浦信号合束器（PSC）将泵浦光双向注入谐振腔。谐振腔内产生的激光从两端低反光栅透射输出，经过包层光滤除器（CLS）去除残余泵浦后，通过光纤端帽（QBH）输出。输出激光由功率计、光谱仪、光束质量分析仪和示波器等设备进行综合测量。
实验研究分为几个步骤层层推进： 1. 单向泵浦特性研究：首先采用仅从A端注入泵浦的方式，研究激光器的输出特性。记录不同泵浦功率下A、B两端的输出功率、总功率和光-光转换效率。同时，监测输出激光的时域稳定性及其傅里叶频谱，以判断是否出现TMI效应。 2. 双向泵浦特性研究：基于单向泵浦的实验结果，改用从A、B两端同时注入泵浦的双向泵浦方式，以期望提升TMI阈值和输出功率。同样记录输出功率、效率随总泵浦功率的变化。在达到最高输出功率时，详细测量A、B两端的输出光谱、光束质量因子（M²），并再次分析时域和频域信号以评估光束稳定性。 3. 结构优化与性能提升：根据理论仿真结果（显示缩短增益光纤长度可有效抑制SRS），对实验装置进行优化。将增益光纤长度从14.6米截短至12.6米，保持其他实验条件不变。在相同的双向泵浦和最高泵浦功率下，重新测量激光器的输出功率、效率、光谱和光束质量，并与优化前的数据进行对比，验证缩短光纤长度对抑制非线性效应的实际效果。
四、 主要研究结果
理论仿真结果表明：在总泵浦功率6000 W、双向泵浦条件下，增益光纤长度对输出有显著影响。随着光纤长度缩短，由于泵浦吸收减少，两端输出功率、总输出功率及光-光转换效率均有所下降，但效率均保持在85%以上。当光纤长度为14.6米和16.6米时，输出功率和效率相近。更重要的是，仿真预测缩短增益光纤长度能有效抑制SRS。例如，将光纤从16.6米截短至14.6米、12.6米、10.6米和8.6米时，SRS抑制比分别提升了约6.3 dB、12.5 dB、18.9 dB和更高。这为实验优化提供了关键理论依据。
实验结果详实且有力地验证了理论预测，并取得了多项突破： 1. 单向泵浦下的输出与TMI阈值：在A端单向泵浦、注入功率2396 W时，总输出功率达到1943 W（A端515 W，B端1428 W），光-光效率81.1%。B端输出功率高于A端，主要归因于两端FBG反射谱宽差异和熔接损耗不同。当输出功率接近1.94 kW时，进一步增加泵浦功率，输出出现滞涨，效率下降。同时，A端时域信号出现波动，傅里叶频谱在0.785 kHz处出现特征峰，判定此时发生了TMI效应，阈值约为1.94 kW。 2. 双向泵浦实现高功率输出：采用双向泵浦后，成功提升了TMI阈值。在总泵浦功率5262 W时，实现了总输出功率4470 W的突破，其中A端输出1419 W，B端输出3051 W，光-光转换效率高达84.9%。此时，时域信号稳定，频谱无异常峰，表明未发生TMI效应。在输出功率为1458 W（A端）和2733 W（B端）时，测得光束质量因子M²分别为1.27和1.31，证明实现了近单模、高光束质量输出。然而，在最高功率下，输出光谱显示在1050 nm主峰两侧存在较强的ASE展宽，并在1100 nm附近出现了明显的SRS峰，A端和B端的拉曼抑制比分别为29.1 dB和24.6 dB。 3. 结构优化有效抑制非线性效应：将增益光纤长度从14.6米优化至12.6米后，在相同5262 W泵浦功率下，总输出功率为4468 W，效率与优化前相当，光束质量保持优异（M²约为1.34和1.32）。最关键的是，光谱质量得到显著改善：ASE引起的光谱展宽现象减弱，SRS被有效抑制。与优化前相比，在最高功率下，A端和B端的拉曼抑制比分别提升了约6.6 dB和8.1 dB。这一结果直接验证了理论仿真的正确性，即通过优化增益光纤长度可以有效抑制双端输出短波长光纤振荡器中的SRS效应。
五、 研究结论与价值
本研究成功设计并实验验证了一种高功率1050 nm双端输出近单模全光纤激光振荡器。通过理论仿真指导实验，采用双向泵浦结合优化增益光纤长度（12.6米）的策略，在总泵浦功率5262 W下，实现了总功率4470 W、光-光效率84.9%、两端光束质量M²因子优于1.35的近单模激光输出。研究明确了单向泵浦下该系统的TMI阈值约为1.94 kW，而双向泵浦可有效避免TMI。更重要的是，研究证实了缩短增益光纤长度是抑制短波长双端输出激光器中ASE和SRS效应的有效手段。
本研究的科学价值在于，首次系统探索并实现了短波长（1050 nm）波段的双端输出高功率光纤激光振荡器，揭示了该体制下增益光纤长度与输出特性、非线性效应（特别是SRS）之间的内在关系，为理解和发展短波长双端输出光纤激光器提供了重要的理论和实验依据。其应用价值显著：所实现的紧凑型双端输出激光源，为工业并行加工、材料处理及通过功率合束实现更高功率输出提供了新的技术方案，有助于推动高功率短波长光纤激光器在精密加工等领域的应用。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究指出，尽管通过优化光纤长度抑制了SRS，但在最高功率下光谱中仍存在明显的SRS现象，这被认为是限制功率进一步提升的主要因素。作者分析，这与其所选用的20/400 μm掺镱光纤的有效模场面积较小有关。因此，论文在结论中展望，未来通过增加泵浦功率、采用更大模场面积的增益光纤或进一步优化谐振腔结构（如光栅参数），有望实现更高功率的短波长双端激光输出。这为后续研究指明了方向。