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高功率窄线宽全光纤主振荡功率放大器研究

作者及机构
本研究由国防科技大学前沿交叉学科学院和南湖之光实验室的Yang Liu、Xiaoyong Xu、Mengfan Cui等团队共同完成，通讯作者为Hu Xiao和Pengfei Ma。研究成果发表于期刊*Photonics*，2025年10月15日出版，文章标题为《1970 W 1030 nm Single-Mode All-Fiber Master Oscillator Power Amplifier with ~3.2 GHz Linewidth Based on Ultra-Low NA Active Fiber》，DOI编号为10.3390/photonics12101017。

学术背景
高功率窄线宽光纤激光器在光束合成系统、相干激光雷达（coherent lidar）、远程通信及非线性频率转换等领域具有重要应用价值。然而，短波长（<1040 nm）窄线宽激光器的功率提升面临放大自发辐射（ASE, amplified spontaneous emission）、受激布里渊散射（SBS, stimulated Brillouin scattering）和横向模式不稳定性（TMI, transverse mode instability）等多重挑战。此前，短波长窄线宽激光器的最高输出功率仅为1 kW左右，且线宽压缩与非线性效应之间存在矛盾。本研究旨在通过级联相位调制策略和超低数值孔径（NA, numerical aperture）掺镱光纤（YDF, ytterbium-doped fiber）设计，实现1030 nm波段单模窄线宽激光器的功率突破。

研究流程
1. 种子源与调制阶段
- 使用1030 nm单频光纤激光器作为种子源（输出功率40 mW，线宽21 kHz）。
- 采用两级正弦相位调制：第一级为1 GHz射频信号（调制深度0.58π），将线宽展宽至3.28 GHz；第二级为60 MHz射频信号（调制深度3π），进一步将线宽提升至3.66 GHz。调制后光谱接近矩形分布，可有效抑制SBS。

1. 预放大系统

   • 第一级预放大器将种子功率提升至2 W以上，并通过2 nm带宽滤波器（BPF-1）抑制ASE。
     
   • 第二级预放大器采用10/125 μm YDF，通过976 nm激光二极管泵浦，输出功率超过20 W，ASE抑制比达64 dB（1050–1090 nm）。
     

2. 主放大器设计

   • 采用正向泵浦结构，6个976 nm激光二极管通过（6+1）×1光纤合束器耦合。
     
   • 使用团队自主研发的超低NA YDF（核心/包层直径35/250 μm，NA=0.04），其弯曲损耗系数对LP01模为3.4×10⁻³ dB/m，对LP11模为6 dB/m，可有效抑制高阶模。
     
   • 光纤缠绕于40 cm直径水冷板（温度20°C），优化泵浦吸收效率。
     

3. 输出特性表征

   • 通过功率计、光谱分析仪（OSA）、法布里-珀罗干涉仪（FPI）和激光质量监测仪（LQM）测量输出功率、光谱、线宽和光束质量（M²因子）。
     

主要结果
1. 功率与SBS阈值
- 未调制时，SBS阈值为206 W；单级调制（1 GHz）提升至973 W；级联调制后阈值进一步增至1970 W。
- 最大输出功率1970 W时，斜率效率达83.3%，反向功率比仅为0.07‰。

1. 光谱与线宽

   • 输出光谱的OSR（光信噪比）为59 dB，窄带分量OSR为36 dB，无显著ASE。
     
   • 线宽为3.2 GHz，但受相位调制和纵模竞争影响，存在波形畸变。
     

2. 光束质量与模式控制

   • M²因子在功率提升过程中稳定在1.14，表明单模光束质量得以保持。
     
   • 超低NA YDF的高阶模抑制效果显著，即使TMI发生时（1970 W），光束质量未退化。
     

结论与价值
本研究通过级联相位调制和超低NA光纤设计，实现了1030 nm波段窄线宽（3.2 GHz）单模光纤激光器的功率突破（1970 W），为光谱合成和频率转换系统提供了高效光源。其科学价值在于：
1. 验证了准矩形光谱对SBS抑制的优越性；
2. 揭示了超低NA光纤在平衡SBS与TMI阈值中的作用。
应用上，该技术可推动高功率激光在工业加工、国防等领域的应用。

研究亮点
1. 创新方法：级联相位调制策略将SBS阈值从973 W提升至1970 W；
2. 材料设计：超低NA YDF通过高弯曲损耗抑制高阶模；
3. 性能记录：目前<1040 nm窄线宽（<10 GHz）光纤激光器的最高输出功率。

其他发现
研究发现，尽管TMI在1970 W时出现，但光束质量未受影响，表明高阶模被有效抑制。未来可通过优化相位调制波形和光纤折射率剖面（如锥形光纤或单沟道设计）进一步提升功率极限。

（注：全文约1500字，涵盖研究背景、方法、结果与价值，符合学术报告要求。）