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黄智蒙，王苏钰，张 帆，耿鹏程，张慧嘉，潘 蓉，曾 安，夏汉定，
姚泽锋，蒋学君，张 锐，冯 斌，衣永青，李 平
(中国工程物理研究院 激光聚变研究中心，中国电子科技集团公司 第四十六研究所， 绵阳科技城光子技术研究院，电子科技大学 信息与通信工程学院)
（通信作者：黄智蒙，huangzhimeng@caep.cn；王苏钰，wsy_960927@163.com；衣永青，yiyongq@126.com；李 平，liping1984@caep.cn）
窄线宽大能量纳秒脉冲单模光纤放大器具有电光效率高、光束质量好、结构紧凑、皮实耐用等优点，在激光探测、非线性频率变换与工业加工等领域有着重要应用，近年来成为激光技术领域的研究热点之一。为有效提升光纤放大器的输出功率、单脉冲能量与光束质量，主要存在两方面的问题需要进一步研究。一是窄线宽纳秒脉冲光纤放大中的非线性效应，包括SRS、SBS与SPM等；二是纳秒脉冲光纤放大器的功率、能量提升与模式控制。目前基于常规商用光纤难以实现大能量、高峰值功率、高光束质量和全光纤结构的窄线宽纳秒脉冲输出。纤芯直径沿光纤纵向变化的锥形光纤逐渐被用于高峰值功率、大能量脉冲光纤激光器中，在抑制非线性效应、提升单脉冲能量和保持光束质量等方面展现出了优势。2018年，芬兰坦佩雷大学利用锥形光纤和MOPA系统，实现(中心波长1 040 nm)平均功率28 W、重复频率1 MHz、单脉冲能量28 μJ、峰值功率292 kW、脉宽90 ps输出，光束质量M2=1.09。2021年，坦佩雷大学利用锥形光纤和MOPA系统，实现了(中心波长1 064 nm)平均功率150 W、重复频率10 MHz、线宽142 pm、单脉冲能量15 μJ、峰值功率300 kW、脉宽50 ps输出，光束质量M2=1.19。同年，国防科技大学利用锥形光纤和MOPA放大，实现了(中心波长1064 nm)平均功率8.8 W、重复频率80 kHz、单脉冲能量110 μJ、峰值功率30 kW、脉宽3.8 ns的窄线宽(<283.8 MHz)线偏振单模纳秒脉冲输出。
最近，课题组基于国产锥形掺镱光纤，通过抑制非线性效应和优化盘绕方式，实现了平均功率100 W、脉冲宽度100 ns、单脉冲能量1 mJ的窄线宽(Δλ3dB=0.49 nm)、线偏振(PER=12.3 dB)、近单模(M2=1.49)全光纤结构1 064 nm激光输出。
图1为系统结构示意图，放大器采用主振荡功率放大(MOPA)结构，白噪声信号(WNS)通过电光相位调制器(EOPM)对单频连续光纤激光器(Seed)进行调制，产生相位调制种子光，经过隔离器(ISO)和声光调制器(AOM1)后，形成重复频率200 kHz，脉冲宽度为100 ns的脉冲光，经过两级纤芯泵浦的单模保偏预放大器(Amplifier1，Amplifier2)、隔离滤波混合器(Hybrid)以及声光调制器(AOM2)后，平均功率为30 mW，重复频率降为100 kHz。再经过两级包层泵浦的保偏预放大器(Amplifier3，Amplifier4)，平均功率放大到2.4 W，经过泵浦集束器(TFB-Taper fused fiber bundle)注入主放大器中。主放大器采用976 nm LD前向泵浦，增益光纤为中国电子科技集团第四十六研究所研制提供的保偏锥形掺镱光纤(PM-TYDF)，光纤总长度为3 m，按纤芯包层直径可分为三个部分，包括1 m长的35 μm/250 μm部分，1 m长的56 μm/400 μm部分，1 m长的35 μm/250 μm渐变到56 μm/400 μm的锥区部分，纤芯与包层数值孔径分别为0.06和0.46。
图1 基于国产锥形光纤的窄线宽掺镱纳秒脉冲光纤放大器的实验结构
激光经过准直透镜输出，并通过二色镜(Dichroic mirror)滤除剩余泵浦光。不同泵浦功率下，输出功率曲线如图2所示，放大器的斜效率为78%，当泵浦功率为126 W时，输出功率达到100.28 W，偏振消光比为12.3 dB，3 dB光谱宽度为0.49 nm。脉冲宽度为100 ns，重复频率100 kHz，单脉冲能量为1 mJ。对应的光束质量为M2=1.49，实现了近单模线偏振输出。此外，在功率提升过程中，没有观察到SBS的产生。
图2 实验结果
由于大模场锥形光纤存在一定的制备难度，且与无源器件之间存在匹配性差异，导致放大级输出激光光束质量存在一定的退化。下一步，将继续优化锥形增益光纤结构参数、制作工艺和无源器件，有望实现更高能量近单模纳秒脉冲窄线宽激光输出。
该研究项目获得国家自然科学基金项目（62075201）支持；研究成果以研究快报形式发表于《强激光与粒子束》2025年第1期（doi: 10.11884/HPLPB205437.240437）。
