Beyond 4 kW narrow-linewidth and near single-mode fiber laser

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，近年来成为激光技术领域的研究热点。目前，已有多家单位报道了千瓦级（以上）量级的高功率窄线宽光纤激光。2016年，笔者所在课题组基于半导体直接泵浦方案实现了1.89 kW线偏振窄线宽激光输出，偏振消光比为15.5 dB，3 dB激光线宽为45 GHz；2018年，课题组又基于同带泵浦方案实现了3.94 kW高功率窄线宽激光输出，满功率输出时90 %以上功率集中在宽度为0.89 nm的光谱范围内，但是模式不稳定（TMI）引起了光束质量的劣化。由于谱功率密度高、相干性好，窄线宽光纤激光系统存在受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）、TMI等多重非线性效应，提升输出功率的同时保持光束质量面临较大困难。

最近，本课题组基于白噪声相位调制技术抑制SBS，引入高阶模相对损耗抑制TMI，实现输出功率达~4125 W的高功率、近单模窄线宽光纤激光输出。系统结构如图1(a)所示，通过对单频种子施加白噪声信号调制获得中心波长为1071.6 nm、功率为20 mW的窄线宽种子源（Seed）；随后经过三级预放大器（P-As）预放大到~40 W后经过99.9∶0.1的耦合器（Coupler）和模式匹配器（MFA）后注入主放大器；耦合器（Coupler）的0.1%端口用以监测（Monitor）放大过程中的回光变化；主放大器选用20/400 μm增益光纤（YDF，NA~0.061），采取双向泵浦方式抽运，前后向泵浦功率配比约为1∶2；前后向残余的包层光通过滤除器（CLS1、CLS2）滤除，放大输出激光通过光纤端帽和准直器（Endcap+CO）输出到自由空间。输出功率与泵浦功率的关系如图1(b)所示，系统最大输出功率为4125 W，对应的主放大器斜率效率为~74%。满功率输出时的光谱测量结果如图1(c)所示，3 dB线宽为~0.44 nm，在光谱信噪比达55 dB时没有观察到明显的SRS效应；此外，图1(c)给出了最高功率下输出激光的远场光斑分布，M²因子测量值为1.23。进一步功率提升可能会面临TMI或SRS效应的制约，对上述两种效应的进一步权衡优化是下一步的工作重点。

Figure 1.  Structure and output properties of the high power narrow linewidth fiber amplifier: (a) Schematic of the fiber amplifier (b) Output power properties (c) Output spectrum and far-field beam profile at full-power operation

致 谢 感谢国家自然科学基金项目（61705264）、湖南省创新研究群体（2019JJ1005）、预研领域基金重点项目等对文中工作的支持；感谢张汉伟、许将明、姚天甫、杨保来、肖亮、何加威、喻湘荣、徐小勇、张坤、宋涛等在实验过程中的支持和帮助。