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廖世彪，罗涛，肖润珩，程俊杰，舒畅，李海清，邢颍滨，戴能利，李进延
(华中科技大学武汉光电国家研究中心，武汉 430074)
（通信作者：廖世彪，d202080955@hust.edu.cn；李进延，ljy@mail.hust.edu.cn）
高功率窄线宽光纤激光器在相干合成、光谱合成以及非线性频率转换等领域发挥了重要的作用，吸引了大量国内外研究人员的广泛关注。目前，在非保偏窄线宽光纤激光器的研究领域，国内相关研究人员取得了较多优异的研究成果，例如：2022年，中国工程物理研究院激光聚变中心团队实现了5.07 kW、0.37 nm，光束质量M2x=1.252、M2y=1.322的激光光束输出；2022年，国防科技大学团队实现了6 kW、0.78 nm的近单模输出；2023年，国防科技大学团队再次突破功率输出，实现了7.03 kW、0.76 nm的近单模输出。同时，在保偏窄线宽光纤激光器研究领域，由于非线性效应对于偏振的依赖特性，其非线性阈值较非保偏激光系统会更低，要实现高功率输出更为困难，因此保偏窄线宽光纤激光器的输出功率较非保偏低。2018年，美国IPG公司实现了2 kW的线偏振激光输出，线宽为0.083 nm。2022年，中国工程物理研究院应用电子学研究所通过优化调节的相位调制系统先后报道了4.45 kW和5 kW级近衍射极限的窄线宽线偏振光纤激光输出。同年，国防科技大学通过优化模式不稳定(TMI)抑制技术，也先后实现了4 kW和4.5 kW的窄线宽线偏振光纤激光输出。近年来，华中科技大学武汉光电国家研究中心光纤激光技术团队持续进行优秀的国产化高功率窄线宽线偏振光纤激光技术的研究工作，2022年，课题组采用基于振荡器的种子源加自研的保偏掺镱光纤先后实现单正向1.2 kW和单反向3.2 kW的线偏振窄线宽光纤激光输出。
近期，课题组进一步优化保偏掺镱光纤的掺杂组分，并改良振荡器种子源设计来抑制窄线宽保偏放大过程中的TMI和受激布里渊散射(SBS)效应，最终实现了输出功率4.1 kW的窄线宽线偏振全光纤激光输出。系统结构如图1(a)所示。种子源(Seed)由基于振荡器结构的窄线宽线偏振激光经200 m长的无源保偏光纤光谱展宽后产生，其3 dB线宽约为0.09 nm；窄线宽线偏振种子经过保偏隔离器(PM-ISO)、保偏模场适配器(PM-MFA)和保偏包层光滤除器(PM-CPS)后注入到自制的20 µm/400 µm掺镱保偏光纤(PMYDF)中，其中PM-ISO可以将放大过程中的后向回光导出，达到同时保护种子和观测SBS效应的作用。中心波长为976 nm的半导体激光器(LDs)通过(6+1)×1泵浦信号合束器注入PMYDF，实现功率放大，其长度约为11 m，它通过弯曲增加高阶模相对损耗与反向泵浦相结合的方式抑制TMI效应。包层激光通过PM-CPS滤除，放大的激光由保偏准直器(Collimator)输出。
图1 实验装置结构图和典型结果：(a)实验装置结构示意图；(b)输出功率和回光功率随着泵浦功率的变化；(c)输出激光的偏振消光比(PER)随着激光功率的变化；(d)最高功率下的输出光谱
图1(b)为输出功率和回光功率随着泵浦光功率变化的增长曲线，当泵浦光功率5.15 kW时，激光输出功率达到4.1 kW，系统整体的线性拟合效率为79.5%；此时回光功率仅为400 mW，SBS效应被有效抑制。图1(c)为输出激光的偏振消光比(PER)随着功率增长的变化曲线，可以看到，PER在功率放大过程中基本保持稳定，一直维持在15 dB以上。图1(d)为最高输出功率时的光谱特性，受激拉曼散射(SRS)信噪比大于26 dB。下一步，将继续进行国产化保偏增益光纤掺杂组分的优化，以更加有效抑制SBS、SRS、TMI等效应，实现国产化更高功率的窄线宽线偏振光纤激光输出。
该项目获国家自然科学基金项目(61975061，61735007)支持。
