田  鑫， 饶斌裕， 王  蒙， 王崇伟， 奚小明， 袁纬仪， 李智贤， 李  昊，

陈子伦， 潘志勇， 王小林， 马鹏飞， 王泽锋， 陈金宝

（国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073）

（通信作者：奚小明，exixiaoming@163.com；

王泽锋，zefengwang_nudt@163.com）

高功率窄线宽光纤激光在光束合成、非线性频率变换等领域具有重要应用需求，近年来成为光纤激光领域的研究热点。由于谱功率密度高、相干性好，窄线宽光纤激光提升输出功率的同时保持光束质量面临较大困难，需要平衡多种非线性效应，如自相位调制（SPM）、模间四波混频（IMFWM）、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射（SBS）以及模式不稳定（TMI）效应。目前，获得高功率窄线宽激光的主要技术方案是通过主振荡功率放大结构，即MOPA结构。其种子通常有相位调制单频激光和窄谱光纤振荡器等选择。前者时序特性较好，在放大时非线性效应和光谱展宽较弱，功率提升受到的限制因素相对较少。目前，中国工程物理研究院和国防科技大学分别报道了5 kW和6 kW高光束质量的窄线宽光纤放大器。但该方案系统结构较为复杂，需要使用相位调制和随机信号发生器等设备来展宽种子线宽来提升SBS的阈值，且进入主放大器之前需要经过多级放大来提升种子功率，导致系统性价比和鲁棒性欠佳。与相位调制单频激光种子相比，采用窄谱光纤振荡器种子可直接通过单级放大实现高功率窄线宽激光输出，这种方案结构简单，可以大大提升系统的紧凑性和鲁棒性，近年来受到了广泛关注。目前，中国工程物理研究院和清华大学均报道了大于3 kW的窄线宽激光输出。但该方案的功率提升受非线性效应影响更为严重，在放大过程中需注意光谱展宽和SRS效应的抑制，解决的重点和难点在于窄谱振荡器种子时序的优化。本课题组前期针对窄谱振荡器单级放大方案，在窄谱光纤光栅、种子振荡腔和放大级结构等方面开展了大量研究。

近期，国防科技大学高能激光技术研究团队进一步优化了种子和放大级的结构，采用单级MOPA结构实现了5 kW 近单模窄线宽激光输出，实验结构如图1所示。该放大器种子为复合腔结构的窄谱振荡器种子，采用后向泵浦方式，增益光纤采用20/400 μm双包层掺镱光纤（YDF），两个高反和低反光栅的中心波长约为1080 nm，3 dB带宽分别为3 nm、3 nm和0.05 nm，反射率分别为99%、50%和10%。该结构很好地抑制了振荡器的类弛豫振荡和自锁模脉冲现象，优化了种子的时序特性。另外，在种子和放大级间加入隔离带通滤波器（BPF），有效地减弱了放大级对种子的影响。种子激光经过包层光滤除器（CPS）注入放大级，功率约24 W。放大级泵浦源为稳波长976 nm的半导体激光（WS-LD），增益光纤为20/400 μm YDF，光纤长度约为12.5 m。输出激光经过CPS净化后由光纤端帽（QBH）输出。激光器的有源光纤和无源器件均放置在水冷板上进行制冷。为有效减弱了系统的SRS效应，放大级的后向泵浦合束器、CPS和QBH均采用纤芯为25 μm的传能光纤。另外我们将CPS和QBH制作到后向泵浦合束器的输出尾纤上（无熔点一体化器件），使系统输出更为紧凑，输出光纤总长度约为1.7 m。另一方面，种子的合束器及放大级前向合束器均采用侧面泵浦/信号合束器，降低了器件对输出激光光束质量的影响。

图1 窄线宽光纤放大器结构示意图

实验中，通过优化种子激光的时序特性，提高了放大器中的SRS阈值，降低了光谱展宽速度，通过双向泵浦结合减小YDF弯曲半径的方式抑制了TMI效应。最终在泵浦功率为6020 W时实现了5 kW的近单模激光输出，前后向泵浦比例约为1:6，放大级的斜率效率约为86.1%，如图2所示。在最高功率时，3 dB线宽约0.48 nm，20 dB线宽为2.1 nm，SRS信噪比约为28.3 dB，多次测量光束质量，没有出现退化迹象，测量的平均结果为：M2x≈1.44，M2y≈1.25。该放大器经过5次出光测试，每次均能到达到5 kW稳定输出，5 kW的工作时间超过30分钟，表明该放大器可长时间稳定工作。

 (a) 输出功率和效率

  (b) 不同输出功率下的光谱               

(c) 3 dB和20 dB线宽的演化

图2 窄线宽放大器输出激光特性

与此前报道结果相比，通过进一步优化种子激光时序，结合放大级泵浦比例的优化，实现了对光谱线宽的控制和高拉曼抑制比的激光输出，提升了多项非线性效应的阈值，使得线宽更窄，拉曼更弱。当前系统功率的进一步提升主要受限于TMI效应。下一步拟对放大级增益光纤的结构参数进行优化设计，综合抑制SBS、SRS和TMI效应对输出功率和光束质量的影响，实现激光器输出功率和光束质量的进一步提升。

致  谢：感谢国家自然科学基金面上项目(12004431)、湖南省科技创新人才计划科技创新领军人才项目（2021RC4027）等对文中工作的支持；感谢肖虎、黄良金、宋涛、姚天甫、陈益沙等人对本实验提供的支持和帮助！