基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)分析及研究現(xiàn)狀

孫仕豪，鄭 也，于 淼，李思源，曹 鐿，王軍龍，王學(xué)鋒

（北京航天控制儀器研究所,北京 100094）

1 引言

激光武器是一種定向能武器，可以定向發(fā)射高能激光束對目標(biāo)進行干擾和毀傷，已得到了廣泛的研究和應(yīng)用[1-3]。在激光武器的各類激光光源中，光纖激光器由于能夠輸出數(shù)千瓦甚至數(shù)萬瓦功率的高光束質(zhì)量激光，是激光武器的理想光源之一[4]。但單根光纖的輸出功率存在上限，光束合成方案是突破單纖功率上限，實現(xiàn)數(shù)十萬瓦乃至兆瓦級別激光輸出的可行技術(shù)路線[5-8]。光譜合成是目前大多數(shù)高能激光武器光源的實現(xiàn)方式。一般通過特定的合束光學(xué)元件將不同波長的高功率窄線寬激光合成為一束[5]。光譜合束元件主要是衍射光柵和雙色鏡，衍射光柵合束對子束激光的線寬要求一般在數(shù)GHz 到數(shù)十GHz[9]，而雙色鏡合束對子束激光線寬要求較低，可以放寬至數(shù)百GHz 甚至于數(shù)個nm[10-11]。

高功率窄線寬光纖激光器的中心波長、譜線寬度等主要由種子源的特性所決定。常見的窄線寬種子源主要有以下4 種：單頻激光相位調(diào)制種子源、超熒光源窄帶濾波種子源、隨機光纖激光窄帶濾波種子源和多縱模振蕩窄線寬種子源[12-15]。其中，多縱模振蕩種子源具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、維護性好、成本低等特點，在實際工程應(yīng)用中有著顯著優(yōu)勢。但在功率放大過程中存在著光譜展寬、受激拉曼散射等非線性效應(yīng)，從而會影響其應(yīng)用效果[16-17]。然而，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，已可實現(xiàn)對非線性效應(yīng)的有效抑制，在提高輸出功率的同時能夠顯著改善光譜純度，提高了基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬光纖激光器的應(yīng)用前景。

本文介紹了4 種典型窄線寬激光種子源的基本原理和激光特性，重點對基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬激光放大進行了介紹，對提升其性能的方法進行了重點分析，總結(jié)了近年來該技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展情況，最后對未來發(fā)展方向進行了展望。

2 典型窄線寬激光種子源

在高功率窄線寬光纖激光器中，由于光纖內(nèi)光功率密度高，在激光放大過程中極易出現(xiàn)受激布里淵散射（Stimulated Brillouin Scattering,SBS）、自相位調(diào)制（Self-Phase Modulation,SPM）、四波混頻（Four Wave Mixing,FWM）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）等多種非線性效應(yīng)。由于4 種典型窄線寬種子源的工作機理不同，它們對不同非線性效應(yīng)的抑制能力也不同，故首先介紹不同類型種子源的激光特性。

（1）單頻激光相位調(diào)制種子源：只輸出一個縱模的單頻激光器無法直接用作于高功率窄線寬激光器的種子源。這是由于單頻激光器線寬極窄而對應(yīng)的受激布里淵散射閾值極低。對于這種情況，通常使用高速相位調(diào)制器展寬單頻種子源的光譜，用來降低光譜功率密度、抑制SBS 效應(yīng)[14]。該種子源結(jié)構(gòu)如圖1（a）所示。這種方法的特點在于經(jīng)相位調(diào)制的激光時域特性仍然穩(wěn)定，在功率放大過程中也不會產(chǎn)生明顯的光譜展寬，并且可以根據(jù)實際需求改變調(diào)制信號的參數(shù)。常用的相位調(diào)制信號包括射頻高斯白噪聲、正弦信號和偽隨機序列碼等[18]。該方案的功率可以定標(biāo)放大至5 kW 以上[19]，但其主要問題在于激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、器件集成度較低且成本較高，另外，經(jīng)相位調(diào)制后種子光功率仍然較低，在進入主放大級之前需要引入多級預(yù)放來提升種子功率，在工程應(yīng)用中其可靠性和經(jīng)濟性較差。

圖1 不同窄線寬種子源示意圖。（a）單頻激光相位調(diào)制種子源；（b）超熒光光源窄帶濾波種子源；（c）隨機光纖激光器種子源；（d）多縱模振蕩種子源Fig.1 Schematic diagram of different narrow-linewidth seed sources.(a) Phase modulated single frequency laser seed source;(b) narrow-band filtered superfluorescent seed source;(c) random fiber laser seed source;(d) narrow-linewidth multilongitudinal-mode oscillator seed source

（2）超熒光源窄帶濾波種子源：超熒光源具有無縱模特性、光子在光譜范圍內(nèi)均勻分布的特點[20]。其在抑制SBS 效應(yīng)方面具有天然優(yōu)勢。一般采用濾波技術(shù)從摻鐿光纖的放大自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光譜中濾出窄線寬種子光，再引入預(yù)放和主放對其進行功率放大，窄線寬ASE 種子源結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示。這種方案的特點在于種子光的無縱模特性、抑制SBS 效應(yīng)的能力較強。主要缺點是輸出激光在時域上仍然具有一定起伏，在放大過程中所面臨的SPM 效應(yīng)使得激光出現(xiàn)了一定程度上的光譜展寬。此外，濾出的窄線寬種子光功率較低，需要經(jīng)多級預(yù)放進行功率放大后才能接入主放大級，激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

（3）隨機光纖激光窄帶濾波種子源：隨機光纖激光器由單模無源光纖中的瑞利散射效應(yīng)提供隨機分布式反饋，可在沒有固定諧振腔的情況下實現(xiàn)激光激射[21]。種子源結(jié)構(gòu)如圖1（c）所示。這種方案的特點在于隨機光纖激光器的高時域穩(wěn)定性和無穩(wěn)定縱模特性，在窄線寬激光的放大過程中不易產(chǎn)生SBS 等效應(yīng)。其主要問題在于無源光纖較長且需要多級預(yù)放進行功率放大，難以適應(yīng)集成化的光譜合束需求，此外在高功率時也會出現(xiàn)光譜展寬的現(xiàn)象。

（4）多縱模振蕩窄線寬種子源：振蕩種子源的結(jié)構(gòu)簡單，在增益光纖兩端接入窄線寬光纖光柵形成諧振腔即可[22,23]。種子光光譜由耦合光柵的性能所決定，由振蕩縱模間隔公式Δν=c/2nL（其中：c為真空中的光速；n為折射率；L為腔長）可知，振蕩種子源中存在多個縱模，另外，在時域信號上存在噪聲，振蕩種子源結(jié)構(gòu)如圖1（d）所示。這種方案的特點在于激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，并且可以直接對振蕩種子光進行功率放大，沒有復(fù)雜的電光調(diào)制器件，適用于復(fù)雜電磁環(huán)境。主要問題在于種子光的光譜存在多縱模，在放大過程中會產(chǎn)生嚴重的非線性效應(yīng)。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，光譜合成技術(shù)對激光線寬要求不高，基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬光纖激光器基本可以滿足光譜合成的要求，同時該方案還具備集成度高、造價低廉和魯棒性強的特點。如何改善振蕩種子源的激光特性是相關(guān)研究領(lǐng)域的研究熱點之一。

3 基于多縱模振蕩種子源的窄線寬光纖激光放大特性

當(dāng)多縱模振蕩種子源激光的功率被放大至數(shù)千瓦時，出現(xiàn)的非線性效應(yīng)以SPM、FWM 和SRS為主，在光譜上表現(xiàn)為激光峰的展寬和拉曼峰的增強。激光光譜純度劣化的問題為后續(xù)的光譜合束應(yīng)用帶來了效率降低、雜散光增多、光束質(zhì)量劣化等不良影響。綜合大量研究成果發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)上述問題的原因主要在于種子光的時域穩(wěn)定性較差。

實驗表明連續(xù)光振蕩種子源在時域上并不穩(wěn)定，存在高低起伏的振蕩脈沖，即為“自脈沖現(xiàn)象”。該現(xiàn)象指的是連續(xù)光纖激光器在無調(diào)制時出現(xiàn)了大幅振蕩脈沖序列，且該脈沖間隔與振蕩腔長度相對應(yīng)。目前已知自脈沖現(xiàn)象普遍存在于光纖激光器中，使得信號光峰值功率瞬時提升，再疊加光纖纖芯中激光能量密度極高等因素，最終顯著降低了SPM、FWM 和SRS 等非線性效應(yīng)的閾值[24,25]。此外，在主振蕩功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA）結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)生于種子源的自脈沖在進入放大級后得以迅速放大，成為限制激光器功率提升的重要因素之一[26]。

根據(jù)自脈沖的時域特征，可以將其分為類弛豫振蕩脈沖（Sustained Self-Pulsing,SSP）和自鎖模脈沖（Self-Mode Locking,SML）[27,28]。SSP 對應(yīng)著輸出時域上出現(xiàn)的抖動脈沖包絡(luò)，內(nèi)部包含著一系列SML 信號。SSP 的振幅較大，脈沖寬度和脈沖間隔在微秒量級。該現(xiàn)象與振蕩腔的弛豫振蕩相關(guān)，通常在泵浦功率較低時容易觀測到，一般會隨著泵浦功率的提升逐漸消失。SML 脈沖間隔較為穩(wěn)定，對應(yīng)著振蕩腔往返周期，一般在數(shù)十納秒量級，脈沖振幅強度的隨機性較強?；谄涿}沖特點，在測量SML 時需要使用性能較好的耦合測量系統(tǒng)以及大帶寬的光電探測器。目前關(guān)于自脈沖的產(chǎn)生機理尚不明確，研究人員提出多種解釋，包括腔內(nèi)額外損耗調(diào)制機制[29-32]、摻雜離子對的可飽和吸收體作用[27,33]、反轉(zhuǎn)粒子數(shù)與激光信號相互作用引起的弛豫振蕩等[34]。

激光功率對自脈沖效應(yīng)有較大影響，如圖2所示[35]。在泵浦光功率剛達到激光振蕩閾值時，自脈沖現(xiàn)象主要是在微秒尺度上的SSP 脈沖，這是由于增益離子的上能級反轉(zhuǎn)率處于激光閾值，表現(xiàn)出明顯的弛豫振蕩現(xiàn)象。自脈沖現(xiàn)象在十納秒尺度上表現(xiàn)出SML 脈沖特征，脈沖周期較短。隨著泵浦功率的提升，在微秒尺度上的SSP 脈沖逐漸消失。這是由于泵浦功率的提升使得腔內(nèi)的增益離子實現(xiàn)了快速反轉(zhuǎn)。在十納秒尺度上的SML脈沖周期逐漸穩(wěn)定，對應(yīng)于振蕩腔內(nèi)光子的往返時間[35]。從激光時域標(biāo)準(zhǔn)差、歸一化極差和時序歸一化標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看，提升激光功率在一定程度上有助于抑制自脈沖強度，但隨著功率的進一步提升，該抑制效果易于達到飽和狀態(tài)，無法進一步降低自脈沖強度[28]。

圖2 不同功率和時間尺度上的自脈沖時域信號。（a）在微秒尺度上的激光閾值自脈沖；（b）在十納秒尺度上的激光閾值自脈沖；（c）在微秒尺度上的較高功率激光自脈沖；（d）在十納秒尺度上的較高功率激光自脈沖[35]Fig.2 Time-domain signals of self-pulse at different time scales and powers.(a) Laser threshold self-pulse at the scale of microsecond;(b) laser threshold self-pulse at the scale of ten nanoseconds;(c) laser self-pulse with higher power at the scale of microsecond;(d) laser self-pulse with higher power at the scale of ten nanoseconds[35]

4 基于多縱模振蕩種子源的窄線寬光纖激光放大優(yōu)化方法

4.1 種子源時域性能優(yōu)化

對多縱模振蕩種子源和放大級進行優(yōu)化，進一步挖掘其潛力是相關(guān)研究領(lǐng)域的重點。為提升窄線寬多縱模振蕩激光器的輸出功率和光譜純度，通過抑制自脈沖來抑制光譜展寬和拉曼分量是優(yōu)化種子源的重要手段。目前報道的自脈沖抑制方案主要包括提高腔內(nèi)光子壽命、引入F-P 腔選模、改進泵浦方式和采用環(huán)形腔減少縱模數(shù)等[26,30,36-39]。

2015 年，韓國漢陽大學(xué)的Lee 等人認為振蕩腔內(nèi)的自脈沖特性與腔內(nèi)光子壽命有關(guān)，腔內(nèi)光子壽命可通過下式得到[39]：

其中：τC為腔內(nèi)光子壽命；n為光纖纖芯折射率；L為振蕩腔長；c為真空光速；R1和R2分別是光柵對的反射率；α為振蕩腔內(nèi)損耗?？梢钥闯鼋档驼袷幥粌?nèi)損耗和增加腔長都有益于提高光子壽命。

降低腔內(nèi)損耗主要在于增加輸出耦合光柵的帶寬，趙翔等人研究了改變光柵帶寬對振蕩腔自脈沖特性的影響。四支具有相同反射率的輸出耦合光柵的帶寬分別是0.06 nm、0.1 nm、0.4 nm 和0.6 nm，對應(yīng)的高反光柵性能保持一致。研究表明隨著輸出耦合光柵帶寬的增加，功率變化較小，但時域抖動的標(biāo)準(zhǔn)差明顯下降，如圖3（彩圖見期刊電子版）所示[35]。由于在振蕩腔內(nèi)的縱模間隔保持不變時，增加輸出耦合光柵的帶寬將提高輸出激光的縱模數(shù)量并降低縱模振幅梯度，進而增強縱模之間的相位耦合、加速縱模相位演化，使得輸出時序中的隨機脈沖加快猝滅，另外，縱模數(shù)的增加還將降低自脈沖疊加形成強脈沖的概率[28]。該研究表明了：增加輸出耦合光柵的帶寬有助于降低腔內(nèi)損耗并增加腔內(nèi)光子壽命，最終使得激光自脈沖信號強度降低，但為了保證窄線寬激光輸出，輸出耦合光柵的帶寬不應(yīng)過大。此外，降低光纖熔接損耗和提高光柵反射率也有助于降低腔內(nèi)損耗[40]。

圖3 不同帶寬輸出耦合光柵構(gòu)成的振蕩腔時域測試結(jié)果[35]Fig.3 Test results of oscillating cavity constructed by different bandwidths OC-FBGs in time domain [35]

提高腔內(nèi)光子壽命的另一種方法是增加振蕩腔長。2009 年，美國羅徹斯特大學(xué)的Guan 等人在0.36 nm 帶寬的振蕩腔內(nèi)增加了長度為2 349 m的傳能光纖。結(jié)果表明該方案有效增加了腔內(nèi)光子壽命并抑制了自脈沖現(xiàn)象[36]。2018 年，通過在高反光柵和泵浦合束器之間增加340 m 的單包層光纖，趙翔等人對比研究了增加腔長前后的激光時域特性，如圖4 所示[35]。結(jié)果表明在增加腔長后，微秒尺度的歸一化時域信號標(biāo)準(zhǔn)差下降至原有值的1/4，納秒尺度上也不再出現(xiàn)周期性脈沖。通過計算發(fā)現(xiàn)在增加腔長后，腔內(nèi)光子壽命由37 ns 延長至670 ns。此現(xiàn)象的解釋是較強的自脈沖在長距離光纖傳輸過程中產(chǎn)生了較強的SPM 效應(yīng)，導(dǎo)致強脈沖發(fā)生了脈沖分裂，降低了自脈沖的強度[30]。另有理論研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)振蕩腔長的改變量較小時，比如對于1 m 和5 m 長度的諧振腔，其SML 脈沖間隔不同，但對應(yīng)的歸一化瞬時功率未發(fā)生明顯變化。這是由于當(dāng)腔長較短時，信號光未能產(chǎn)生有效的SPM 效應(yīng)[28]。

圖4 不同腔長振蕩器在輸出功率為18.25 W 時不同尺度下的時序特性。（a）微秒尺度下的時序特性；（b）納秒尺度下的時序特性[35]Fig.4 Time-domain characteristic of oscillator with different cavity lengths at different scale when the output power is 18.25 W.(a) At microsecond scale;(b) at nanosecond scale[35]

引入F-P 腔選模也可以抑制振蕩腔內(nèi)的自脈沖效應(yīng)，此時激光器中存在多個振蕩腔，也被稱為復(fù)合腔結(jié)構(gòu)。2014 年，韓國漢陽大學(xué)的Lee 等人通過搭建額外的空間耦合F-P 腔來控制振蕩腔內(nèi)的起振縱模，如圖5 所示。他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)F-P 腔長大約超過50 cm 時，可以較好地抑制腔內(nèi)的弛豫振蕩自脈沖[37]。基于游標(biāo)效應(yīng)（Vernier effect）分析實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，只有同時滿足每個振蕩腔頻率要求的激光才能起振，即為復(fù)合振蕩腔整體的縱模間隔是每個振蕩腔縱模間隔的最小公倍數(shù)。因此，較大的縱模間隔有利于復(fù)合振蕩腔輸出單頻種子光[41]。該實驗中，空間耦合F-P 腔的引入使得激光器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，在保留全光纖化優(yōu)勢的前提下，通過引入額外的F-P 腔來實現(xiàn)自脈沖抑制，是相關(guān)研究的延伸方向之一。

圖5 （a）不含有和（b）含有空間耦合F-P 腔抑制自脈沖實驗示意圖Fig.5 Schematic diagram of self-pulse suppression experiment (a) without and (b) with spatially coupled F-P cavity

為了實現(xiàn)全光纖化的復(fù)合振蕩腔，2017 年，趙翔通過引入光纖光柵LR2 構(gòu)建了光纖F-P 腔，如圖6 所示[35]。他們發(fā)現(xiàn)通過構(gòu)建全光纖化的復(fù)合腔結(jié)構(gòu)，可以有效抑制種子光的自脈沖現(xiàn)象，而且種子光時域強度的標(biāo)準(zhǔn)差由0.63 下降至0.28，信號強度的分布范圍由0～6.8 下降至0～3。抑制機理在于單個振蕩腔的振蕩縱模受增益光纖熱效應(yīng)影響較大，會誘發(fā)持續(xù)的寄生振蕩，從而加劇自脈沖，在形成復(fù)合振蕩腔后，振蕩縱模需要同時滿足兩個腔結(jié)構(gòu)（LR1 和HR、LR2 和HR），有利于穩(wěn)定振蕩頻率，LR2 與HR 形成的F-P 腔為無源光纖腔，受環(huán)境影響較小。從腔內(nèi)光子壽命角度分析，增加了F-P 腔同時也延長了腔內(nèi)光子壽命，有助于抑制自脈沖效應(yīng)。

圖6 全光纖化的復(fù)合振蕩腔示意圖Fig.6 Schematic diagram of complex oscillator cavity with all-fiber configuration

復(fù)合振蕩腔結(jié)構(gòu)還能在一定程度上抑制激光放大過程中的光譜展寬效應(yīng)。趙翔等人對圖6 中的種子光進行放大，以芯/包直徑為20/400 μm 的摻鐿大模場光纖為增益光纖，實現(xiàn)了1 148 W 的激光輸出，光光效率達到了83%，不同功率的光譜如圖7（彩圖見期刊電子版）所示[35]。通過構(gòu)建復(fù)合振蕩腔結(jié)構(gòu)，在最大輸出功率時SRS 抑制比由單振蕩腔的35.65 dB 提升至40.40 dB，3dB 帶寬由0.40 nm 下降至0.32 nm，20 dB 帶寬由2.12 nm下降至1.15 nm。復(fù)合振蕩腔的種子光在時域上更為穩(wěn)定，因此在激光放大過程中，受SPM 和FWM影響較小，光譜展寬效應(yīng)得到了有效抑制。

圖7 基于振蕩腔種子級的高功率激光光譜。（a）對單振蕩腔種子光進行放大后的激光光譜；（b）對復(fù)合振蕩腔種子光進行放大后的激光光譜[35]Fig.7 High power laser spectra based on different oscillator cavities.(a) Laser spectra after amplification of single oscillator cavity;(b) laser spectra after amplification of complex oscillator cavity[35]

除了上述延長腔內(nèi)光子壽命、增加F-P 腔形成復(fù)合振蕩腔外，改進泵浦方式[30,42]和采用環(huán)形腔結(jié)構(gòu)[43]也能在一定程度上抑制自脈沖效應(yīng)，但實用性仍然較差。

4.2 放大級性能優(yōu)化

為了提升基于多縱模振蕩種子源的窄線寬光纖激光器的性能，在優(yōu)化振蕩種子源的基礎(chǔ)上，還需要對激光器的放大級進行針對性的優(yōu)化，重點也在于抑制光譜展寬、拉曼分量和模式不穩(wěn)定效應(yīng)。具體措施包括優(yōu)化泵浦方式、適當(dāng)增加增益光纖模場面積、引入啁啾傾斜光柵、一體化器件制備、改變彎曲半徑等[23,44-48]。

泵浦光為激光放大提供能量，優(yōu)化其注入方向、前后向泵浦比例、泵浦波長等均對放大級性能有所影響。對于窄線寬激光器來說，需要考慮不同泵浦方式對光譜展寬的影響。2021 年，清華大學(xué)的肖起榕等人研究了不同泵浦方向?qū)庾V展寬的影響。結(jié)果表明反向泵浦的光譜展寬最小、雙向泵浦次之、正向泵浦的光譜展寬最嚴重，經(jīng)實驗測試與計算結(jié)論一致[46-47]。中國工程物理研究院的孫殷宏等人計算了不同泵浦方向與光譜展寬程度之間的定量關(guān)系，當(dāng)分別注入100 W 正向和反向976 nm 泵浦光時，對應(yīng)的光譜展寬值分別為16.7 pm 和7.3 pm[23]。雙向泵浦抑制模式不穩(wěn)定能力最強，國防科技大學(xué)的周樸等人通過數(shù)值模擬軟件模擬了不同反向泵浦比例對模式不穩(wěn)定效應(yīng)的抑制能力。對于20/400 μm 光纖來說，較理想的反向泵浦功率占比約為75%[45]。模擬結(jié)果還表明鎖定泵浦波長不僅有助于抑制光譜展寬，還有助于縮短增益光纖長度，在一定程度上能夠提高非線性效應(yīng)閾值[46]。

增大增益光纖的模場面積可以降低纖芯中的光功率密度并抑制非線性效應(yīng)，而減小模場面積則有助于提升模式不穩(wěn)定閾值，兩種效應(yīng)相互制約[48]。在窄線寬激光器中，還需額外考慮不同模場面積的增益光纖對光譜展寬的影響，清華大學(xué)的肖起榕等人經(jīng)研究得知：受SPM、FWM 等效應(yīng)引起的光譜展寬可以由下式表示[46]：

其中：An、Ak、Al分別為第n、k、l個縱模的復(fù)振幅；是第k+l-n個縱模的共軛復(fù)振幅；n2為增益光纖的非線性折射率；ω0為中心角頻率；Aef f為增益光纖的有效模場面積；g(z)為增益系數(shù)?？梢钥闯鲈鲆婀饫w的模場面積越小，則光譜展寬約明顯。從模擬結(jié)果來看，直徑20 μm 增益光纖的光譜展寬程度遠大于直徑為25 μm 和30 μm 增益光纖的光譜展寬，而后兩者的光譜展寬程度相仿[46]。

基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬光纖激光器中的SRS 效應(yīng)較強，也需要有針對性地進行優(yōu)化。啁啾傾斜光柵（CTFBG）可將較寬波長范圍內(nèi)的纖芯光濾除進入光纖包層，實現(xiàn)寬帶濾波的效果[49-50]。通過對其周期、傾斜角度、啁啾率和光纖長度進行設(shè)計，使其濾波波長對應(yīng)于SRS 波長處，可用于抑制激光器中的SRS 效應(yīng)。2018 年，國防科技大學(xué)的王蒙等人設(shè)計制備了CTFBG，并將其接入高功率激光系統(tǒng)的振蕩級與放大級之間[49]。發(fā)現(xiàn)其SRS 抑制比增加了10 dB、信號光功率占比由98.90%提升至99.88%。而且CTFBG 對激光器的輸出功率、效率和光束質(zhì)量都沒有影響。北京航天控制儀器研究所的研究團隊在激光器的輸出端帽前引入了CTFBG。該CTFBG 的長度為1.5 m，透過波長范圍為1 064～1 080 nm，對透過光的損耗低于0.15 dB。損耗波長范圍對應(yīng)著信號光的受激拉曼波長，損耗譜帶寬大于15 nm，損耗強度大于20 dB。實驗結(jié)果表明，當(dāng)輸出功率達到1 100 W 時，在輸出端帽前引入CTFBG 可將SRS 抑制比提高9.5 dB，如圖8（彩圖見期刊電子版）所示。

圖8 引入CTFBG 前后1 kW 窄線寬激光的SRS 抑制情況Fig.8 SRS suppression of 1 kW narrow line width fiber laser with and without CTFBG

總體來看，對基于多縱模振蕩種子源的窄線寬光纖激光器進行性能優(yōu)化是一個多維度的系統(tǒng)工作。振蕩腔種子源的優(yōu)化工作在于抑制自脈沖，進而實現(xiàn)抑制光譜展寬和SRS 的效果。主要措施是適當(dāng)增加低反光柵帶寬、引入額外F-P腔，從而形成復(fù)合腔結(jié)構(gòu)等。對放大級的優(yōu)化在于直接抑制非線性效應(yīng)，主要措施為調(diào)整泵浦注入方向及功率比例、調(diào)整光纖模場面積和引入啁啾傾斜光柵等。

5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及展望分析

近年來，國內(nèi)對基于多縱模振蕩種子源的高功率窄線寬光纖激光器的研究工作較多，主要研究機構(gòu)有中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所、國防科技大學(xué)、中國工程物理研究院、天津大學(xué)、清華大學(xué)、南京理工大學(xué)等單位，國外在該領(lǐng)域公開報道的研究成果相對較少。本節(jié)重點對近3 年的相關(guān)研究進展進行介紹，并對相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展方向進行了展望。

5.1 種子源優(yōu)化研究進展

國防科技大學(xué)的研究團隊在基于振蕩腔種子源的優(yōu)化方面開展了多項工作[51-53]。2021 年，張嵩等人采用復(fù)合腔種子源研究了抑制SRS 的效果，如圖9 所示。共搭建了3 種不同類型振蕩腔種子源，分別為常規(guī)腔型、復(fù)合腔及加長復(fù)合腔。然后接入圖9（d）所示的光路，并引入一段長度為50 m 的單模光纖來測試SRS 的激發(fā)情況[51]。結(jié)果表明：在73 W 功率量級下，3 種腔型的SRS 抑制比分別是30.5 dB、42.6 dB 和47.9 dB，相應(yīng)的時域信號強度逐漸穩(wěn)定。該研究通過復(fù)合腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了對激光放大過程中SRS 效應(yīng)的有效抑制。

圖9 （a）常規(guī)腔型種子源、（b）復(fù)合腔種子源、（c）加長復(fù)合腔種子源、（d）放大級光路示意圖[51]Fig.9 Schematic diagrams of optical paths of (a) ordinary oscillator cavity seed source,(b) complex oscillator cavity seed source,(c) long complex oscillator cavity seed source,and (d) amplifier stage[51]

2022 年，國防科技大學(xué)的田鑫等人通過優(yōu)化種子結(jié)構(gòu)和光柵參數(shù)來提升種子激光的時序特性，如圖10 所示。采用中心波長均為1 080 nm的兩個高反光柵和一個輸出耦合光柵（3 dB 帶寬分別為3、3、0.05 nm，反射率分別為99%、99%和10%）搭建了復(fù)合振蕩腔種子源，實現(xiàn)了4.45 kW激光輸出，M2約為1.5，3 dB 線寬為0.5 nm，SRS抑制比為24.5 dB[52]。在同樣的光路結(jié)構(gòu)上，他們將3 個光柵的反射率分別調(diào)整為99%、50%和10%，并在種子和放大級之間加入隔離帶通濾波器（BPF），實現(xiàn)了5 kW 輸出功率，3 dB 線寬約為0.48 nm，SRS 信噪比約為28.3 dB，光束質(zhì)量M2約為1.4[53]。該研究通過復(fù)合腔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了高功率、高光束質(zhì)量的窄線寬激光輸出。

圖10 基于復(fù)合腔振蕩種子源的窄線寬單級MOPA 結(jié)構(gòu)激光系統(tǒng)示意圖[52]Fig.10 Schematic diagram of narrow-linewidth single stage MOPA configuration laser system based on complex cavity oscillator seed source[52]

5.2 放大級優(yōu)化研究進展

2020 年，中國工程物理研究院的王巖山等人搭建了保偏窄線寬光纖激光放大光路[54-55]。種子源采用保偏光纖與一對光纖光柵作為振蕩腔，并采用短腔長方案實現(xiàn)窄線寬輸出，放大級采用雙向泵浦結(jié)構(gòu)，最終實現(xiàn)了3.08 kW 的窄線寬線偏振光纖激光輸出，3 dB 線寬為0.2 nm，SRS 抑制比為20 dB。

2021 年，天津大學(xué)的史偉等人研究了短波長1 045 nm 的激光放大方案，通過調(diào)整放大比例、優(yōu)化泵浦結(jié)構(gòu)和光纖長度，主放大級采用20/400 μm 增益光纖，實現(xiàn)了2.4 kW 激光輸出，光束質(zhì)量M2約為1.2[56]，3dB 線寬的展寬倍率為3 倍（種子光32 GHz 至高功率激光96 GHz），SRS 抑制比為33 dB。如圖11 所示。

圖11 1 045 nm 窄線寬光纖激光器光路示意圖Fig.11 Schematic diagram of optical path of 1 045-nm narrow-linewidth fiber laser

2022 年，清華大學(xué)的肖起榕等人搭建了如圖12 所示的窄線寬光纖激光放大器。其種子腔外接6 m 長的10/130 μm 增益光纖用于進一步吸收殘余泵浦光。主放大級中的20/400 μm 增益光纖按照梅花狀排布。該窄線寬光纖激光放大器基于反向泵浦輸出了3.31 kW 功率激光，光束質(zhì)量M2約為1.32，3dB 線寬為0.4 nm，SRS 抑制比為26.3 dB[57]。

圖12 3.3 kW 窄線寬光纖激光器光路示意圖Fig.12 Schematic diagram of the optical path of a 3.3 kW narrow-linewidth fiber laser

2022 年，南京理工大學(xué)的鄭云瀚等人理論研究了“種子-放大級共享泵浦”結(jié)構(gòu)對ASE 效應(yīng)的抑制，如圖13 所示。實驗搭建了對應(yīng)中心波長為1 050 nm 的激光光路[58]。在此光路基礎(chǔ)上，結(jié)合短腔長振蕩種子源和增益光纖溫度控制方案，實現(xiàn)了功率為3.1 kW 的激光輸出，3 dB 帶寬為0.22 nm、非線性抑制比高達45.5 dB、光束質(zhì)量M2約為1.33、無模式不穩(wěn)定現(xiàn)象。該研究為短波長窄線寬激光器的設(shè)計提供了參考方案。

圖13 “種子-放大級共享泵浦”結(jié)構(gòu)示意圖Fig.13 Structural diagram of the “seed-amplifier sharing pump”

北京航天控制儀器研究所的研究團隊搭建了窄線寬光纖激光器結(jié)構(gòu)。種子源采用一對窄線寬光纖光柵形成振蕩腔。以3.5 m 長的10/125 μm摻鐿光纖作為增益光纖。種子源功率為20 W，3 dB 線寬約為0.04 nm。放大級基于雙端泵浦方式，獲得了2.04 kW 的激光功率輸出，3 dB 線寬約為0.24 nm，SRS 抑制比大于30 dB，光束質(zhì)量因子M2約為1.3。研究發(fā)現(xiàn)泵浦方式對光譜展寬的影響規(guī)律，如圖14（彩圖見期刊電子版）所示。單獨施加正向泵浦的展寬速率為0.115 pm/W，展寬速率較快；單獨施加反向泵浦的展寬速率為0.075 pm/W，展寬速率較慢；雙向泵浦至滿功率輸出，展寬速率為0.094 pm/W，介于二者之間。實驗結(jié)果表明后向泵浦方式可以在一定程度上減緩光譜展寬速率。

圖14 不同泵浦方式的線寬變化規(guī)律Fig.14 The variation of line width under different pumping methods

國外在高功率窄線寬光纖激光器方面的研究以相位調(diào)制種子源為主，關(guān)于振蕩腔種子源放大的報道相對較少。2022 年，伊朗沙希德·貝赫什提大學(xué)的研究團隊對基于振蕩腔種子源的光譜展寬效應(yīng)進行了實驗研究。針對多峰光譜現(xiàn)象，采取了等徑盤繞的方法來抑制高階模式，并研究了泵浦方向?qū)庾V展寬和光光效率的影響，發(fā)現(xiàn)僅正向泵浦時輸出激光的3 dB 線寬為0.121 nm，是僅有反向泵浦時對應(yīng)線寬（0.084 nm）的1.5 倍[59]。

總的來看，基于多縱模振蕩種子源的窄線寬光纖激光器仍然是高功率激光領(lǐng)域的研究熱點之一，近兩年來也取得了較多成果。在種子源的優(yōu)化方面，通過增加F-P 腔形成復(fù)合腔結(jié)構(gòu)，可以抑制光譜展寬和受激拉曼散射效應(yīng)，且結(jié)構(gòu)緊湊，適用于工程化，已成為實現(xiàn)高功率窄線寬激光輸出的關(guān)鍵技術(shù)。但復(fù)合腔的結(jié)構(gòu)多樣，目前已有HR-LR2-YDF-LR1、HR-YDF-nLR-wLR 和HR1-HR2-YDF-OC 等多種結(jié)構(gòu)報道，并且復(fù)合腔器件的關(guān)鍵參數(shù)對實驗結(jié)果有較大影響，因此，需要有系統(tǒng)的理論和實驗工作進行指導(dǎo)。在放大級的優(yōu)化方面，主要研究方向在于抑制光譜展寬、抑制受激拉曼散射和抑制模式不穩(wěn)定效應(yīng)等，相對來說該層面的優(yōu)化策略較為成熟。

6 結(jié)束語

定向能激光武器的發(fā)展對更高功率的激光光源提出了迫切需求，受限于單根光纖的輸出能力上限，采用光譜合成技術(shù)將窄線寬子束激光進行共孔徑合成是高功率激光領(lǐng)域的重要研究方向。本文首先對比介紹了4 種不同類型的窄線寬種子源。其中，多縱模振蕩種子源的時序特性較差，導(dǎo)致激光在放大過程中容易出現(xiàn)光譜展寬和受激拉曼散射。但其光路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性好、成本較低，在實際工程應(yīng)用中及空間受限的載荷平臺有著顯著優(yōu)勢，尤其是隨著光譜合成技術(shù)的發(fā)展，放寬了對子束線寬的要求。因此，多年來基于多縱模振蕩種子源的窄線寬激光放大仍是業(yè)界的研究重點之一。

本文著重對振蕩種子源的時域特性進行了介紹，其時域不穩(wěn)定特性主要歸因于自脈沖現(xiàn)象，之后介紹了振蕩種子源時域特性的優(yōu)化方案，包括提高腔內(nèi)光子壽命、引入F-P 腔選模和改進泵浦方式等。在優(yōu)化振蕩種子源的基礎(chǔ)上，還介紹了對放大級的針對性優(yōu)化。最后，對近幾年的相關(guān)研究進行了歸納總結(jié)，隨著基于多縱模振蕩種子源的窄線寬激光器向著更高功率、更純凈光譜的方向發(fā)展，光譜合成方案的輸出功率也將隨之提高，最終推動定向能激光武器向更加經(jīng)濟、更加緊湊、更加貼近實戰(zhàn)化方向發(fā)展。