国防科技大学实现4.5kW、0.33nm近单模窄线宽保偏光纤激光输出

作者：任帅,陈益沙,马鹏飞,李魏,王广建,刘伟,周朴

单位：国防科技大学前沿交叉学科学院

研究背景

高功率窄线宽光纤激光器是光束合成和非线性频率变换等应用领域的重要单纤光源。目前，课题组已经实现了6 kW级非保偏光纤激光输出。然而，相比于非保偏光纤，保偏光纤中的受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）等非线性效应更强，热致模式不稳定（TMI）阈值更低，因此，线偏振窄线宽光纤激光器的功率增长和光束质量保持更加困难。2021年，国内同行报道了3.6 kW线偏振窄线宽近单模光纤激光输出。

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近期，课题组通过优化TMI抑制技术，近单模保偏光纤激光器的输出功率突破4.5 kW，3 dB线宽为0.33 nm。4.5 kW保偏光纤激光器结构如图1所示，首先，中心波长为1064 nm的线偏振单频激光器通过白噪声相位调制（WNS-PM）形成窄线宽种子，该种子经保偏预放大器（PM-AMPs）后功率提升至约20 W，保偏环形器（PM-Circulator）用来探测后向回光。随后，种子光通过保偏模式匹配器（PM MFA）进入主放大器。主放大器基于双向泵浦结构搭建，976 nm的稳波长泵浦源（LDs）分别通过两个保偏（6+1）×1合束器（PM （6+1）×1 Combiner）注入长度为10 m、纤芯/包层直径为20/400 μm的大模场保偏掺镱光纤（PM YDF），前后两个保偏包层光滤除器（PM CPS）用来滤除系统中的残余包层光。最后，信号激光通过保偏光纤端帽输出（PM QBH）。

图1 4.5 kW窄线宽线偏振光纤激光器结构示意图

实验结果如图2所示，其中，图2（a）为信号激光和后向回光的功率增长曲线，当注入5238 W的泵浦光时，获得了4515 W的输出激光，斜率效率为87.1%，回光功率近似线性增长，系统中没有发生SBS效应；图2（b）为功率放大过程中的光谱特性，当激光功率为4515 W时，光谱3 dB线宽为0.33 nm，SRS抑制比为48 dB；图2（c）所示的偏振消光比（PER）在功率增长过程中处于14.7 dB和10.3 dB之间，4005 W时的PER为12.5 dB，随后由于后向合束器的热效应，PER出现了下降，最高功率下的PER为10.3 dB，光束质量测量值为M²_x=1.55，M²_y=1.46。