光纖激光器具有效率高、體(ti) 積小、光束質量好、工作穩定可靠和環境適應性強等突出優(you) 點， 在工業(ye) 加工、醫療、國防等領域具有廣闊的應用前景，是激光研究的重要方向之一[1-5]。隨著雙包層大模場光纖的產(chan) 生、半導體(ti) 泵浦性能的提升和光纖集成技術的快速發展，光纖激光器的輸出功率得到了迅速提升[6]。目前，美國 IPG 光纖激光器單纖輸出功率最高可達 20 kW[7]，而國內(nei) 國防科技大學、清華大學、中國工程物理研究院也相繼研製出 10 kW 級的光纖激光器[8-9]。但是單纖輸出功率的進一步提升受到非線性效應、熱效應和光纖損傷(shang) 等方麵影響，並且其輸出 功率存在理論上的閾值[10-12]，因此光纖激光單纖輸出功率很難進一步實現量級上的提升。目前，光纖激光器輸出 功率進一步提升的有效方案是光束合成，主要包括相幹合成[13] 和光譜合成[14]。而光束合成對激光子束提出了要求，一般要求合成激光子束具有窄線寬和高功率高光束質量特性[15-17]。這種高功率窄線寬激光器在引力探測、非線性頻率轉換等基礎科研和國防工業(ye) 領域中也有著極其重要的應用前景。

1高功率窄線寬光纖激光器的研究現狀

根據激光器結構的不同，本文從(cong) 自由空間結構光纖激光器和全光纖結構光纖激光器兩(liang) 個(ge) 方麵介紹常用波段高功率窄線寬光纖激光器的研究現狀，同時介紹短波長窄線寬光纖激光器研究現狀。

1.1自由空間結構光纖激光器

自由空間結構光纖激光器對激光器器件要求低，可兼容多種光纖結構，提高光纖激光器的輸出能力。對於(yu) 窄線寬光纖激光器，目前主要的技術路線是對單頻激光器進行相位調製展寬光譜來抑製光纖中的非線性效應，該種子源在光纖放大級中放大，從(cong) 而實現高功率激光輸出。

2011 年，美國 Fibertek 公司的 Doruk Engin 等報道了線寬為(wei) 450 MHz，輸出功率達到 1 kW 的光纖激光器，實驗裝置如圖 1 所示。采用雙通道正弦信號調製單頻種子光，將線寬展寬為(wei) 450 MHz，再經過三級放大實現 1 kW 激光輸出。主放大級采用 35/500 的增益光纖以降低纖芯中的功率密度， 抑製 SBS 效應， 輸出激光的光束質量為(wei) M2＜1.4[18]。

2016 年，耶拿大學在放大級中采用低數值孔徑的光纖來抑製模式不穩定（MI）效應，實現了單模 3 kW 激光輸出， 光譜線寬為(wei) 0.17 nm。種子源采用單頻激光器相位調製源， 放大級采用自製的新型光纖， 數值孔徑為(wei) 0.04， 光纖纖芯直徑為(wei) 24.5 μm， 內(nei) 包層直徑為(wei) 450 μm， 有效模場麵積為(wei) 360 μm2， 放大級輸出效率為(wei) 90%， 在放大過程中， 沒有發生 MI 效應。在 3 kW 輸出功率下， 放大自發輻射（ ASE） 效應抑製比為(wei) 70 dB[19]。2017 年， 他們(men) 又繼續采用自製的低數值孔徑光纖進行窄線寬激光器實驗， 放大級結構如圖 2 所示。當放大級采用低數值孔徑的 30/460 增益光纖時，輸出功率達到了 2.8 kW，光譜線寬為(wei) 0.18 nm，MI 效應抑製了輸出功率的進一步提升。當放大級采用 23/460 增益光纖時， 單模激光的輸出功率達到了 3.5 kW， 光譜線寬為(wei) 0.18 nm，功率的進一步提升主要受限於(yu) SBS 效應，這是目前已報道的單模窄線寬光纖激光器的最高輸出功率[20]。但是由於(yu) 匹配新型光纖的全光纖化器件的缺乏， 該係統仍采用空間耦合結構。

2016 年， 美國 MIT 林肯實驗室采用金屬包層的增益光纖搭建了雙向泵浦放大器， 放大級實驗裝置如圖 3 所示。金屬包層光纖能改變光纖中的熱負載， 增加高階模式的彎曲損耗， 從(cong) 而抑製 MI 效應。種子光采用調製頻率為(wei) 12.5 GHz 的偽(wei) 隨機碼（ PRBS） 信號調製單頻激光器， 經放大級放大後激光輸出功率為(wei) 3.1 kW， 光譜線寬為(wei) 12 GHz， 光光效率為(wei) 90%， 激光光束質量接近衍射極限

。該係統也采用空間耦合方式， 集成度較低[21]。

1.2全光纖結構光纖激光器

相比於(yu) 自由空間結構光纖激光器，全光纖結構光纖激光器具有集成度高、穩定性好、工程化應用難度低等優(you) 點， 使得基於(yu) 全光纖結構的窄線寬光纖激光器得到迅速發展。由於(yu) 相幹合成一般要求激光子束光譜線寬小於(yu) 10 GHz，而光譜合成要求激光器的光譜線寬不大於(yu) 100 GHz，因此，對於(yu) 全光纖化的窄線寬光纖激光器，本文從(cong) 兩(liang) 種線寬要求來分別介紹目前的研究進展。

（1）線寬＜10 GHz 光纖激光器

2012 年，國防科技大學采用白噪聲信號對單頻激光器進行相位調製，使其光譜展寬約為(wei) 0.3 GHz，該種子源輸出功率為(wei) 10 mW，之後該種子源經過四級放大器進行放大，最終獲得了功率為(wei) 666 W 的窄線寬激光輸出，光譜線寬小於(yu) 0.3 GHz[22]。2015 年，國防科技大學采用 976 nm 的半導體(ti) 激光器泵浦基於(yu) 25/400 保偏光纖的放大係統，對窄線寬種子源進行放大，實驗裝置如圖 4 所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進行相位調製，使光譜展寬為(wei) 約5 GHz，經放大後將線偏激光的輸出功率提升到了 560 W，光束質量為(wei) M2＝1.3，光譜線寬保持約為(wei) 5 GHz，偏振消光比為(wei) ～ 14 dB。理論研究結果表明 5 GHz 線寬的種子源 SBS 閾值為(wei) 1.2 kW， 輸出功率的進一步提升主要受限於(yu) MI 效應[23]。

2014 年， 中國電子科技集團有限公司第 11 研究所利用正弦調製方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為(wei) 2.9 GHz，采用三級放大結構進行放大，實驗裝置如圖 5 所示。采用 976 nm 的半導體(ti) 激光器泵浦基於(yu) 25/400 光纖的主放大係統進行放大，激光器最終輸出功率達到了 780 W，光譜線寬保持為(wei) 2.9 GHz，光束質量為(wei)

1.43，在最高輸出功率下沒有發生明顯的非線性效應和 MI 效應，功率的進一步提升主要受限於(yu) 泵浦功率[24]。

2014 年，美國空軍(jun) 實驗室的 Iyad Dajani 采用 25/400 光纖作為(wei) 主放光纖，基於(yu) 主振蕩功率放大（MOPA）結構，搭建了四級放大的窄線寬光纖激光器，實驗係統如圖 6 所示。該激光器使用調製頻率為(wei) 2 GHz 的 PRBS 信號作為(wei) 相位調製源，通過優(you) 化實驗參數來抑製 SBS 效應，最終獲得了 1 kW 窄線寬激光輸出，光束質量為(wei) M2＝1.1，光譜線寬為(wei) 2 GHz[25]。另外，使用調製頻率為(wei) 3 GHz 的 PRBS 信號作為(wei) 相位調製源，在光譜線寬為(wei) 3 GHz 時實現了 1.17 kW近衍射極限輸出，功率的進一步提升主要受限於(yu) SBS 效應[26]。

2016 年，美國空軍(jun) 實驗室的 Nader A. Naderi 等進一步采用雙波長種子注入和相位調製的方式實現了 1 kW 激光輸出，線寬為(wei) 2.3 GHz，實驗裝置如圖 7 所示。采用寬帶 1038 nm 和窄帶 1064 nm 的種子源同時注入，主放大級采用 25/400 增益光纖進行放大。種子源利用 PRBS 信號進行相位調製，通過雙波長激光器的增益競爭(zheng) 效應和相位調製展寬光譜來同時抑製 SBS 效應。在實驗中，通過優(you) 化兩(liang) 種波長種子源的功率配比和相位調製參數，最終在 1064 nm 波段實現了 1 kW 激光輸出，輸出激光光束的質量因子 M2 介於(yu) 1.1～1.2 之間，光譜線寬為(wei) 2.3 GHz[27]。

韓國先進光學研究中心使用 20/400 保偏光纖搭建了全保偏光纖激光係統，實驗裝置如圖 8 所示[28]。該係統采用調製頻率為(wei) 6.6 GHz 的 PRBS 信號調製單頻激光器，經放大後輸出功率達到 818 W，輸出效率為(wei) 85.2%，激光光譜線寬＜7 GHz，偏振消光比為(wei) 13 dB，功率的進一步提升主要受限於(yu) SBS 效應。另外他們(men) 還理論預測了在 10 GHz 線寬下可實現 2.5 kW 激光輸出。

2020 年， 中國科學院上海光學精密機械研究所采用 PRBS 產(chan) 生器產(chan) 生調製頻率為(wei) 6.5 GHz， 調製格式為(wei) 9 的PRBS 相位調製信號，之後經過 2.2 GHz 的低頻濾波器進行濾波後分別調製 DBR 和 DFB 單頻種子源，使種子源光譜展寬為(wei) 2.2 GHz。DBR 和 DFB 種子源通過四級放大係統進行放大，實驗裝置如圖 9 所示。采用 DBR 和 DFB 種子源的激光器最終輸出功率分別達到 1.2 kW 和 1.27 kW，光譜中心波長分別為(wei) 1082 nm 和 1075 nm，光譜線寬為(wei) 2.2 GHz，光束質量為(wei) M2＜1.2，在最高輸出功率下，產(chan) 生較為(wei) 明顯的 SBS 效應，功率的進一步提升主要受限於(yu) SBS 效應[29]。

近年來，光譜線寬小於(yu) 10 GHz 的窄線寬光纖激光器主要研究成果總結如表 1 所示。激光光譜線寬小於(yu) 10 GHz時，輸出功率基本被限製在 1 kW 量級，主要的限製因素為(wei) SBS 和 MI 效應。

（2）線寬＜100 GHz 光纖激光器

對於(yu) 線寬在 10～100 GHz 範圍的光纖激光器，主要的技術方案包括基於(yu) 少縱模光纖振蕩器功率放大結構和相位調製單頻激光器功率放大結構兩(liang) 種方案。兩(liang) 種方案的主要區別在於(yu) 采用的種子源不同，基本結構均為(wei) MOPA結構。基於(yu) 直接振蕩器的窄線寬光纖激光器結構相對簡單，但是在放大過程中光譜線寬會(hui) 不斷展寬，在較高輸出功率下，光譜線寬很難控製在很窄的範圍內(nei) ，而相位調製多級放大的窄線寬光纖激光器在放大過程中光譜線寬幾乎不展寬，有利於(yu) 光譜線寬的精確控製，但是結構相對較為(wei) 複雜。因此，對於(yu) 線寬要求較低的係統，可選擇采用基 於(yu) 直接振蕩器的窄線寬光纖激光方案，對於(yu) 線寬要求較為(wei) 嚴(yan) 格的係統，多采用相位調製多級放大結構。

2016 年，中國工程物理研究院激光聚變研究中心將少縱模振蕩器作為(wei) 種子源，經光纖放大器放大後輸出功率達到了 2.9 kW，光譜線寬為(wei) 0.31 nm，輸出激光為(wei) 多模激光，實驗裝置如圖 10 所示。在放大過程中，激光的光譜線寬不斷展寬，經理論計算表明，放大器中的光譜展寬與(yu) 種子源中的縱模數量成線性關(guan) 係，因此可以通過控製種子源 中的縱模數量來減弱放大過程中的光譜展寬。文中實驗對比了將兩(liang) 種不同線寬的種子源注入到放大器中，放大級輸出線寬隨功率的變化情況，實驗結果與(yu) 理論分析一致[30]。

2019年，清華大學精密儀(yi) 器係采用窄線寬光纖布拉格光柵搭建了少縱模光纖振蕩器，經過放大級放大後實現了 2.19 kW 激光輸出，輸出效率為(wei) 78.3%，實驗裝置如圖 11 所示。振蕩級采用 20/400 增益光纖，高反光柵和低反光柵的線寬分別為(wei) 1 nm 和 0.03 nm， 振蕩級的光譜線寬為(wei) 36.6 pm。采用 976 nm 半導體(ti) 激光器反向泵浦基於(yu) 25/400 增益光纖的主放大係統進行功率放大，在 2190 W 輸出功率下光譜線寬展寬為(wei) 86.5 pm，光束質量為(wei) M2＝1.46，在實驗中沒有觀察到 SBS 和 MI 效應產(chan) 生[31]。

2019 年，韓國國防發展局地麵技術研究所報道了 2.05 kW 窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖 12 所示。與(yu) 清華大學精密儀(yi) 器係 2.19 kW 窄線寬光纖激光器的技術方案類似，他們(men) 采用光譜線寬為(wei) 0.08 nm 的光纖光柵產(chan) 生窄線寬振蕩器，放大級泵浦源為(wei) 波長鎖定的 976 nm 半導體(ti) 激光器，泵浦方式為(wei) 正向泵浦，增益光纖為(wei) 20/400 摻鐿光纖， 經放大後輸出功率達到 2.05 kW，光譜線寬展寬為(wei) 0.24 nm，輸出激光的光束質量為(wei) M2＝1.28。在最高輸出功率下，沒有發生 SBS 效應和 MI 效應，但是隨著輸出功率的提升，光譜展寬非常明顯，在更高輸出功率下，光譜線寬將會(hui) 是限製其應用的主要因素[32]。

2020 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所基於(yu) 一對窄線寬保偏光柵和 10/130 保偏增益光纖構成振蕩腔，以此作為(wei) 種子源，經過放大後實現了 3 kW 級窄線寬保偏光纖激光輸出，實驗裝置如圖 13 所示。實驗中，通過減短振蕩腔中的光纖長度以減小縱模數量，從(cong) 而控製光譜展寬，當輸出功率為(wei) 3.08 kW 時，光譜線寬為(wei) 0.20 nm，光束質量為(wei) M2＝1.4，偏振消光比（PER）為(wei) 94%[33]。這是已報道的窄線寬全保偏光纖激光器的最高輸出功率，功率的進一步提升受限於(yu) SRS 效應。

對於(yu) 相位調製單頻激光器功率放大的方案，目前的研究更為(wei) 廣泛。美國 IPG 公司於(yu) 2017 年報道了 1.5 kW 保偏窄線寬激光器和 2 kW 非保偏窄線寬激光器，輸出光譜線寬分別為(wei) 15 GHz 和 20 GHz，光束質量因子 M2＜1.1[34]。2018 年，他們(men) 又進一步將保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2 kW，非保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.5 kW，實驗方案如圖 14 所示，在最高輸出功率下，光譜線寬均為(wei) 30 GHz，光束質量因子 M2＜1.1[35]。

2018 年，美國 nLight 公司將手性耦合纖芯光纖（CCC 光纖）應用到窄線寬光纖激光係統中，以抑製光纖激光器中的 MI 效應，實驗裝置如圖 15 所示，單頻激光器經相位調製後進行放大，最終實現了 20 GHz 線寬 2.4 kW 激光輸出，在 2.2 kW 輸出功率下達到 MI 閾值，進一步功率提升受限於(yu) MI 效應[36]。

國內(nei) ，2015 年，國防科技大學報道了線性偏振窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖 16 所示。種子源采用正弦信號對單頻激光器進行相位調製，通過增加正弦調製的級數可以增加光譜線寬，當光譜線寬為(wei) 6，18.5 和 45 GHz 時， 經過三級保偏放大級放大後， 激光輸出功率分別達到 477， 1040 和 1890 W， 在 1520 W 輸出功率下， 光束質量為(wei) M 2＝1.19，M 2＝1.27，功率的進一步提升受限於(yu) MI 效應[37]。

2017 年，國防科技大學通過采用柱狀盤繞的方式抑製MI 效應，將窄線寬保偏光纖激光器的輸出功率提升至 2.43 kW， 實驗裝置如圖 17 所示。在最高輸出功率下，沒有發生 SBS和 MI 效應，光譜線寬為(wei) 0.255 nm，偏振消光比為(wei) 18.3 dB， 功率的進一步提升主要受限於(yu) 泵浦功率[38]。

2015年，中國科學院上海光學精密機械研究所報道了1.75 kW窄線寬光纖激光器，激光光束質量為(wei) M2＝1.77，光譜線寬20 GHz[39]。2017 年，進一步采用 ASE 種子源，通過三級放大的激光係統，如圖 18 所示，實現了 2.7 kW 激光輸出，光束質量為(wei) M2＜1.2，光譜線寬為(wei) 50 GHz，在最高輸出功率下，沒有發生 SBS 效應和 MI 效應，進一步功率提升受限於(yu) 泵浦功率[40]。

2018 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所采用白噪聲相位調製方式將單頻激光器的光譜線寬展寬為(wei) 0.18 nm，之後經過三級放大，實現了 3.5 kW 窄線寬光纖激光輸出，實驗裝置如圖 19 所示。輸出功率為(wei) 3.5 kW 時， 激光光譜線寬為(wei) 0.18 nm，沒有發生 SBS 效應，但是當激光輸出功率高於(yu) 3.17 kW 時，發生 MI 效應。當輸出功率為(wei) 3.5 kW 時，激光光束質量為(wei)

，為(wei) 多模激光。因此，對於(yu) 該係統，限製其輸出功率進一步提升的主要因素是 MI 效應[41]。

2019 年，中國工程物理研究院應用電子學研究所又進一步研究了保偏窄線寬光纖激光器，實驗裝置如圖 20 所示。種子源采用白噪聲信號相位調製方式展寬單頻激光器光譜，之後通過多級放大器進行功率放大。實驗中對比了不同光譜線寬下的 SBS 閾值，當光譜線寬為(wei) 13 GHz 時，實現了 1.5 kW 線偏振激光輸出。隨著激光輸出功率的增加，輸出激光沒有發生明顯的模式劣化現象，即沒有達到 MI 閾值，功率的進一步提升受限於(yu) SBS 效應[42]。當光譜線寬為(wei) 32 GHz 時，實現了 2.62 kW 線偏激光輸出，光束質量為(wei) M2＜1.3，偏振消光比為(wei) 96.3%，功率的進一步提升受限於(yu) MI 效應[43]。

表 2 給出了 10～100 GHz 線寬光纖激光器的主要研究成果。總結來看，線寬在 100 GHz 以內(nei) 的光纖激光器目前最高輸出功率為(wei) 3.5 kW，但是其光束質量較差，為(wei) 多模激光輸出。輸出功率的進一步提升主要受限於(yu) SBS 效應和 MI 效應。

1.3 短波長窄線寬光纖激光器

對於(yu) 光譜合成技術，增加合成激光子束的數量是提高合成功率的重要途徑之一，拓展光纖激光器的光譜範圍 有助於(yu) 增加光譜合成的激光子束數量，提升光譜合成功率[44-45]。目前常用的光譜合成範圍為(wei) 1050～1072 nm，進一步拓展窄線寬光纖激光器的波長範圍至 1030 nm 波段對光譜合成技術具有重要意義(yi) ，因此，很多研究機構對短波長（波長小於(yu) 1040 nm）窄線寬光纖激光器進行了研究。本論文主要對 1030 nm 光纖激光器進行研究，將光譜合成激光子束的波長範圍擴展至 1030 nm。

不同波長光纖激光器的輸出特性主要受增益光纖吸收譜和發射譜的影響，對於(yu) 短波長光纖激光器，相比於(yu) 光纖激光器的傳(chuan) 統波段（1060～1080 nm），增益光纖的吸收截麵較大，產(chan) 生的短波長激光很容易在增益光纖中被重吸收產(chan) 生更長波長的激光輸出，即產(chan) 生 ASE，使其輸出功率受限。

2011 年，耶拿大學的 O. Schmidt 等采用窄線寬 ASE 源作為(wei) 種子光進行放大，種子源結構如圖 21 所示。采用兩(liang) 個(ge) 光柵將種子線寬控製在 12 pm，種子輸出功率為(wei) 400 mW，中心波長為(wei) 1030 nm。種子源經過兩(liang) 級放大，第一級采用 40/200 的光子晶體(ti) 光纖，第二級為(wei) 42/500 的光子晶體(ti) 光纖，最終輸出功率為(wei) 697 W，光束質量為(wei) M2＝1.34[46]。

2016 年，美國空軍(jun) 實驗室的 Nader A. Naderi 等使用 PRBS 信號調製 1030 nm 的單頻激光器作為(wei) 種子源，種子源光譜線寬為(wei) 3.5 GHz，之後經放大級進行放大，實驗裝置如圖 22 所示。該係統將 1030 nm 波段的激光輸出功率提升至 1034 W，光譜線寬為(wei) 11 pm，放大級輸出效率為(wei) 80%，ASE 抑製比達 40 dB，光束質量為(wei) M2＝1.1～1.2。實驗中通過控製增益光纖長度來抑製 SBS 和 ASE 效應[47-48]。

2014 年，美國 Nufern 公司的 Ye Huang 等在 1028～1100 nm 的波長範圍內(nei) ，實現了kw 級的激光輸出[49]。實驗中主要對 1028 nm 和 1100 nm 的激光器進行了研究，並將結果與(yu) 1064 nm 的激光器對比，發現相比於(yu) 傳(chuan) 統波段光纖激光器，短波長和長波長光纖激光器的 ASE 效應都會(hui) 明顯增強。最終經過對 ASE 效應的抑製，在 1028 nm 波段實現了 1215 W 單模激光輸出，光光效率為(wei) 75%。

2016 年，美國 IPG 公司的 Roman Yagodkin 等對單頻激光器進行相位調製作為(wei) 種子源，經放大後得到＞1.5 kW 激光輸出，激光中心波長範圍為(wei) 1030～1070 nm，光譜線寬＜15 GHz[50]，不同波長下的輸出光譜圖如圖 23 所示。從(cong) 光譜圖中可以看出，相對於(yu) 1064 nm 附近的激光，短波長激光光譜的 ASE 抑製比低約 15 dB。2017 年，美國 IPG 公司又對 1030 nm 的單頻激光器進行相位調製，使光譜展寬為(wei) 20 GHz，經過三級預放大級後輸出功率達到 15～20 W，最後經主放大級放大後得到 2.2 kW 短波長激光輸出， 是目前1030 nm 波段光纖激光器的最高輸出功率[50]。

綜上所述，由於(yu) ASE 效應的影響，短波長窄線寬光纖激光器的最高輸出功率僅(jin) 為(wei) 2.2 kW， 相比於(yu) 典型波長 1064 nm 附近的窄線寬光纖激光器，還有很大的發展空間。

2高功率窄線寬光纖激光器的限製因素

目前，高功率窄線寬光纖激光器的主要限製因素為(wei) SBS 效應和 MI 效應。當光纖激光器的輸出功率達到 kW 級以上時，由於(yu) 光纖纖芯中功率密度很高，產(chan) 生 SBS 效應，它是限製窄線寬光纖激光輸出功率提升的重要因素[51]。相比於(yu) SBS 效應， MI 效應發現較晚， 直到 2010 年才被德國耶拿大學的研究者發現[52]，之後迅速引起了各個(ge) 研究機構的廣泛關(guan) 注，其主要實驗現象是當光纖激光器的輸出功率提高到特 定值後，光纖中穩定傳(chuan) 輸的基模會(hui) 發生模式劣化，產(chan) 生強度和相位不斷變化的高階模式[53-54]。MI 效應產(chan) 生的根源在於(yu) 大模場光纖無法做到隻支持基橫模運轉，而是同時還支持一個(ge) 以上的高階模運轉。種子相位噪聲或者強度噪聲中的高階模成分在增益光纖中傳(chuan) 輸時，會(hui) 與(yu) 基模發生相互幹涉作用，從(cong) 而產(chan) 生周期性的縱向和橫向的強度分布， 激光量子虧(kui) 損加熱與(yu) 信號光場強度的正相關(guan) 導致光纖出現橫向和縱向的溫度梯度，熱光效應形成熱致折射率光柵，其周期與(yu) 模式幹涉拍長相匹配，這種光柵反過來增強了基模和高階模之間的相互耦合，在足夠高的功率水平下 導致 MI 效應的出現[55]。MI 效應具有明顯的閾值特性，在閾值之下，激光器輸出光束質量較好，在閾值之上，光束質量急劇劣化，近場出現基模與(yu) 高階模的 ms 級的跳變[56-57]。在窄線寬光纖激光器中，主要通過增大模場麵積，減小光纖纖芯中功率密度來抑製 SBS 效應[58-59]，而提高 MI 閾值的重要方式是通過減小模場麵積減少光纖中傳(chuan) 導的模式數量[60]。因此，SBS 效應的抑製和 MI 閾值的提升相互製約，如何同時抑製兩(liang) 種非線性效應，實現兩(liang) 者的平衡是實現更高功率輸出的單模窄線寬光纖激光器的關(guan) 鍵問題。另外，線偏振窄線寬光纖激光器也是目前的一個(ge) 主要發展方向，偏振控製是實現線偏振光纖激光器的關(guan) 鍵技術。

結論

高功率窄線寬光纖激光器在光束合成等領域具有廣泛的應用前景，近年來得到了快速發展。本文在回顧了高功率窄線寬光纖激光技術的研究現狀之後，對目前發展的主要限製因素進行了描述和說明，即激光器中非線性效應和模式不穩定效應限製了其輸出功率的提升和輸出激光光束質量的優(you) 化。進一步提高光纖激光器的性能仍是未來窄線寬光纖激光器發展的主要方向，如繼續提高輸出功率，改善窄線寬光纖激光的光束質量，拓展窄線寬光纖 激光器的波段，繼續壓窄激光的光譜線寬，線偏振窄線寬激光輸出以及進行整機小型化、實用化、智能化的研究。

本文作者楚秋慧、 郭超、 顏冬林、舒強、史儀(yi) 、溫靜、林宏奐、王建軍(jun) ，來自中國工程物理研究院激光聚變研究中心。

參考文獻：

[1]Shi Wei, Fang Qiang, Zhu Xiushan, et al. Fiber lasers and their applications[J]. Applied Optics, 2014, 53（28）: 6554-6558.

[2]Qu Zhou, Li Qiushi, Meng Hailong, et al. Application and the key technology on high-power fiber-optic laser in laser weapon[C]//Proc of SPIE. 2014: 92940C.

[3]Naeem M. Advances in drilling with fiber lasers[C]//Industrial Laser Applications Symposium. 2015.

[4]Tony H. Laser marking with fiber lasers[J]. Industrial Laser Solutions, 2012, 27（5）: 7.

[5]Clery D. Laser fusion, with a difference [J]. Science, 2015, 347(6218):111-112.

[6]Zervas M N, Codemard C A. High power fiber lasers: a review[J]. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2014, 20（5）: 219-241.

[7]Shiner B. The impact of fiber laser technology on the world wide material processing market[C]//Conference on Lasers and Electro-Optics. 2013.

[8]Lin Honghuan, Xu Lixin, Li Chengyu, et al. 10.6 kW high-brightness cascade-end-pumped monolithic fiber lasers directly pumped by laser diodes in step-index large mode area double cladding fiber[J]. Results in Physics, 2019, 14: 102479.

[9]Lin Aoxiang, Zhan Huan, Peng Kun, et al. 10 kW-level pump-gain integrated functional laser fiber[C]//Asia Communications and Photonics Conference. 2018.

[10]Dawson J W, Messerly M J, Beach R J, et al. Analysis of the scalability of diffraction-limited fiber lasers and amplifiers to high average power[J]. Optics Express, 2008, 16（17）: 13240-13266.

[11]Zhu Jiajian, Zhou Pu, Ma Yanxing, et al. Power scaling analysis of tandem-pumped Yb-doped fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19: 18645-18654.

[12]Otto H J, Jauregui C, Limpert J, et al. Average power limit of fiber-laser systems with nearly diffraction-limited beam quality[C]//Proc of SPIE. 2016:97280E.

[13]Liu Zejin, Zhou Pu, Xu Xiaojun, et al. Coherent beam combining of high power fiber lasers: Progress and prospect[J]. Science China (Technological Sciences), 2013, 56（7）: 1597-1606.

[14]Madasamy P, Thomas A, Loftus T, et al. Comparison of spectral beam combining approaches for high power fiber laser systems[C]//Proc of SPIE. 2008: 695207.

[15]蒲世兵, 薑宗福, 許曉軍(jun) . 基於(yu) 體(ti) 布拉格光柵的光譜合成的數值分析[J]. 強激光與(yu) 粒子束, 2008, 20（5）：721-724. （Pu Shibing, Jiang Zongfu, Xu Xiaojun.Numerical analysis of spectral beam combining by volume Bragg grating[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2008, 20（5）: 721-724）

[16]薑曼, 馬鵬飛, 周樸, 等. 基於(yu) 多層電介質光柵光譜合成的光束質量[J]. 物理學報, 2016, 65：104203. （Jiang Man, Ma Pengfei, Zhou Pu, et al. Beam quality in spectral beam combination based on multi-layer dielectric grating[J]. Acta Physica Sinica, 2016, 65: 104203）

[17]Tian Fei, Yan Hong, Chen Li, et al. Investigation on the influence of spectral linewidth broadening on beam quality in spectral beam combination[C]//Proc of SPIE. 2015:92553N.

[18]Doruk E, Lu W, Akbulut M, et al. 1 kW CW Yb-fiber-amplifier with＜0.5 GHz linewidth and near-diffraction limited beam-quality for coherent combining application[C]//Proc of SPIE. 2011: 791407.

[19]Beier F, Hupel C, Nold J, et al. Narrow linewidth, single mode 3 kW average power from a directly diode pumped ytterbium-doped low NA fiber amplifier[J]. Optics Express, 2016, 24（6）: 6011-6020.

[20]Liem A, Tünnermann A, Sattler B, et al. Single mode 4.3 kW output power from a diode-pumped Yb-doped fiber amplifier[J]. Optics Express, 2017, 25（13）: 14892-14899.

[21]Yu C X, Shatrovoy O, Fan T Y, et al. Diode-pumped narrow linewidth multi-kilowatt metalized Yb fiber amplifier[J]. Optics Letters, 2016, 41（22）: 5202- 5205.

[22]王小林, 周樸, 肖虎, 等. 窄線寬全光纖激光器實現666 W高功率輸出[J]. 強激光與(yu) 粒子束, 2012, 24（6）：1261-1262. （Wang Xiaolin, Zhou Pu, Xiao Hu, et al. Narrow linewidth all-fiber laser with 666 W power output[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24（6）: 1261-1262）

[23]Ran Yang, Tao Rumao, Ma Pengfei, et al. 560 W all fiber and polarization-maintaining amplifier with narrow linewidth and near-diffraction-limited beam quality[J]. Applied Optics, 2015, 54（24）: 7258-7263.

[24]張利明, 周壽桓, 趙鴻, 等. 780 W全光纖窄線寬光纖激光器[J]. 物理學報, 2014, 63：134205. （Zhang Liming, Zhou Shouhuan, Zhao Hong, et al. 780 W narrow linewidth all fiber laser[J]. Acta Physica Sinica, 2014, 63: 134205）

[25]Naderi N A, Flores A, Anderson B M, et al. Beam combinable, kilowatt, all-fiber amplifier based on phase-modulated laser gain competition[J]. Optics Letters, 2016, 41（17）: 3964-3967.

[26]Dajani I, Flores A, Ehrenreich T. Multi-kilowatt power scaling and coherent beam combining of narrow-linewidth fiber lasers [C]//Proc fo SPIE. 2016: 972801.

[27]Flores A, Robin C, Lanari A, et al. Pseudo-random binary sequence phase modulation for narrow linewidth, kilowatt, monolithic fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2014, 22（15）: 17735-17744.

[28]Jun C, Jung M, Shin W, et al. 818 W Yb-doped amplifier with < 7 GHz linewidth based on pseudo-random phase modulation in polarization-maintained all- fiber configuration[J]. Laser Physics Letters, 2019, 16: 015102.

[29]Liu Meizhong, Yang Yifeng, Shen Hui, et al. 1.27 kW, 2.2 GHz pseudo random binary sequence phase modulated fiber amplifier with Brillouin gain spectrum overlap[J]. Scientific Reports, 2020, 10: 629.

[30]Huang Zhihua, Liang Xiaobao, Li Chengyu, et al. Spectral broadening in high-power Yb-doped fiber lasers employing narrow-linewidth multilongitudinal-mode oscillators[J]. Applied Optics, 2016, 55（2）: 297-302.

[31]Huang Yusheng, Yan Ping, Wang Zehui, et al. 2.19 kW narrow linewidth FBG-based MOPA configuration fiber laser[J]. Optics Express, 2019, 27（3）: 3136- 3145.

[32]Junsu L, Kwang H L, Hwanseong J, et al. 2.05 kW all-fiber high-beam-quality fiber amplifier with stimulated Brillouin scattering suppression incorporating a narrow-linewidth fiber-Bragg-grating-stabilized laser diode seed source[J]. Applied Optics, 2019, 58（23）: 6251-6256.

[33]王岩山, 王玨, 常哲, 等. 基於(yu) 簡單MOPA結構實現3.08 kW全光纖窄線寬線偏振激光輸出[J]. 強激光與(yu) 粒子束, 2020, 32：011006. （Wang Yanshan, Wang Jue, Chang Zhe, et al. Output of 3.08 kW narrow linewidth linearly polarized all-fiber laser based on a simple MOPA structure[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 011006）

[34]Platonov N, Yagodkin R, Cruz J, et al. 1.5 kW linear polarized on PM fiber and 2 kW on non-PM fiber narrow linewidth CW diffraction-limited fiber amplifier

[C]//Proc of SPIE. 2017: 100850M.

[35]Nikolai P, Roman Y, Joel D L C, et al. Up to 2.5 kW on non-PM fiber and 2.0 kW linear polarized on PM fiber narrow linewidth CW diffraction-limited fiber amplifiers in all-fiber format[C]//Proc of SPIE. 2018: 105120E.

[36]Kanskar M, Zhang J, Kaponen J, et al. Narrowband transverse-modal-instability (TMI)-free Yb-doped fiber amplifiers for directed energy applications[C]//Proc of SPIE. 2018: 2291253.

[37]Ma Pengfei, Tao Rumao, Su Rongtao, et al. 1.89 kW all-fiberized and polarization-maintained amplifiers with narrow linewidth and near-diffraction-limited beam quality[J]. Optics Express, 2016, 24（4）: 4187-4195.

[38]Su Rongtao, Tao Rumao, Wang Xiaolin, et al. 2.43 kW narrow linewidth linearly polarized all-fiber amplifier based on mode instability suppression[J]. LaserPhysics Letters, 2017, 14: 085102.

[39]Qi Yunfeng, Lei Ming, Liu Chi, et al. 1.75 kW CW narrow linewidth Yb-doped all-fiber amplifiers for beam combining application[C]//Conference on Lasers andElectro-Optics. 2015: ATu4M.4.

[40]Qi Yunfeng, Yang Yifeng, Shen Hui, et al. 2.7 kW CW narrow linewidth Yb-doped all-fiber amplifiers for beam combining application [C]//Advanced Solid- State Lasers. 2017: ATu3A.1.

[41]Li Tenglong, Zha Congwen, Sun Yinhong, et al. 3.5 kW bidirectionally pumped narrow-linewidth fiber amplifier seeded by white-noise-source phase-modulated laser[J]. Laser Physics, 2018, 28: 105101.

[42]Chang Zhe, Wang Yanshan, Sun Yinhong, et al. 1.5 kW polarization-maintained Yb-doped amplifier with 13 GHz linewidth by suppressing the self-pulsing and stimulated Brillouin scattering[J]. Applied Optics, 2019, 58（23）: 6419.

[43]王岩山, 馬毅, 孫殷宏, 等. 2.62 kW, 30 GHz窄線寬線偏振近衍射極限全光纖激光器[J]. fun88官网平台, 2019, 46（12）：1215001. （Wang Yanshan, Ma Yi, Sun Yinhong, et al. 2.62 kW, 30 GHz linearly polarized all-fiber laser with narrow linewidth and near diffraction limit beam quality[J]. Chinese Journal of Lasers, 2019, 46（12）: 1215001）

[44]Ott D, Divliansky I, Anderson B, et al. Scaling the spectral beam combining channels in a multiplexed volume Bragg grating[J]. Optics Express, 2013, 21（24）: 29620-29627.

[45]Andrusyak O, Ciapurin I, Smirnov V, et al. Spectral beam combining of fiber lasers with increased channel density[C]//Proc of SPIE. 2007: 64531L.

[46]Schmidt O, Rekas M, Wirth C, et al. High power narrow-band fiber-based ASE source[J]. Optics Express, 2011, 19: 4421-4427.

[47]Naderi N A, Dajani I, and Flores A. High-efficiency, kilowatt 1034 nm all-fiber amplifier operating at 11 pm linewidth[J]. Optics Letters, 2016, 41（5）: 1018- 1021.

[48]Naderi N A, Flores A, Anderson B M, et al. Kilowatt high-efficiency narrow-linewidth monolithic fiber amplifier operating at 1034 nm[C]// Proc of SPIE. 2016: 972803.

[49]Huang Y, Edgecumbe J, Ding J, et al. Performance of kW class fiber amplifiers spanning a broad range of wavelengths: 1028~1100 nm[C]//Proc of SPIE. 2014:89612K.

[50]Yagodkin R, Platonov N, Yusim A, et al.＞1.5 kW narrow linewidth cw diffraction-limited fiber amplifier with 40 nm bandwidth[C]//Proc of SPIE. 2016: 972807.

[51]Moloney J V, Newell A C. Nonlinear optics[J]. Physics D Nonlinear Phenomena, 1990, 44（1）: 1-37.

[52]Eidam T, Wirth C, Jauregui C, et al. Experimental observations of the threshold-like onset of mode instabilities in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（14）: 13218-13224.

[53]Smith A V, Smith J J. Mode competition in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（12）: 11318-29.

[54]Hansen K R, Alkeskjold T T, Broeng J, et al. Theoretical analysis of mode instability in high-power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2013, 21（2）: 1944- 1971.

[55]Smith A V, Smith J J. Mode instability in high power fiber amplifiers[J]. Optics Express, 2011, 19（11）: 10180-10192.

[56]Smith J J, Smith A V. Influence of signal bandwidth on mode instability threshold of fiber amplifiers[C]//Proceedings of SPIE. 2014: 93440L.

[57]Otto H J, Stutzki F, Jansen F, et al. Temporal dynamics of mode instabilities in high-power fiber lasers and amplifiers[J]. Optics Express, 2012, 20（14）: 15710.

[58]Broderick N G R, Offerhaus H L, Richardson D J, et al. Large mode area fibers for high power applications[J]. Optics Fiber Technology, 1999, 5（2）: 185-196.

[59]Shiraki K, Ohashi M, Tated M. Suppression of stimulated brillouin scattering in a fibre by changing the core radius[J]. Electronic Letter, 1995, 31（8）: 668-669.

[60]Jauregui C, Otto H J, Stutzki F, et al. Passive mitigation strategies for mode instabilities in high-power fiber laser systems[J]. Optics Express, 2013, 21（16）: 19375-19386.