特邀论文：用于所有光纤纳秒脉冲放大的保偏大模场面积镱光纤

《Optical Fiber Technology》：Invited Paper: Polarization maintaining large mode area Yb fibers for all fiber nanosecond pulse amplification

提高高阶模损耗的大模场面积铒光纤在1 kW平均功率下实现1 mJ纳秒脉冲能量，保持23.5 dB极化消光比和1.11模式质量因子。

　　高功率光纤激光器和放大器在多个领域具有广泛的应用，例如微加工、国防、科学研究、先进的激光雷达（LIDAR）系统、引力波探测以及量子计算等。这类系统的一个显著优势是其免对准和环境稳定性，这使得它们在传统固体激光器难以适应的环境中表现出色。特别是在需要高输出功率和脉冲能量的应用中，如长距离相干激光雷达或空间部署的频率梳，环境稳定性尤为关键。因此，开发具有优异性能的高功率光纤放大器成为研究的重点。

在当前的研究中，科学家们探讨了如何在保持高输出功率的同时，有效抑制非线性效应。这些非线性效应，如受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）和自相位调制（SPM），是限制光纤激光器输出功率和能量的主要因素。为了克服这些限制，研究人员采用了一种新型的高高阶模（HOM）损耗、掺镱的大模场面积（LMA）光纤。这种光纤的设计能够显著提高非线性阈值，从而允许在较高功率下稳定运行。

在连续波（CW）操作中，这种高HOM损耗LMA光纤已经实现了高达5 kW的输出功率，而在非PM光纤中，脉冲能量可达2 mJ。相比之下，PM光纤在CW操作下只能达到2 kW的平均功率。然而，在纳米秒脉冲操作中，这种新型光纤展示了卓越的性能，能够实现超过1 mJ的脉冲能量，并且在平均功率达到1 kW的情况下，保持了99.9%以上的脉冲能量保留在主脉冲中。此外，当平均功率为750 W时，脉冲能量可达1.5 mJ，且脉冲能量保持率超过99.9%。

实验中使用的光纤具有26微米的模场直径和2.4 dB/m的泵浦吸收率，这些参数使得光纤在高功率运行时具有较低的非线性效应。同时，光纤的偏振消光比（PER）达到了20 dB或更高，表明其在偏振稳定性方面表现出色。此外，光束质量因子M2接近衍射极限，意味着输出光束的质量得到了很好的保持。

在实验设置方面，研究人员使用了一种灵活的种子源，该种子源由一个增益开关二极管种子激光器组成，该激光器具有可调的重复率和脉冲持续时间。种子激光器的输出功率在实验中低于2 mW。随后，脉冲经过一个隔离器进行放大，使用了120厘米长的芯泵浦单模光纤，将功率提升至12.5 mW。在进一步的隔离器之后，通过偏振控制器优化了偏振状态，从而最大化输出性能。

在脉冲能量为1 mJ的情况下，系统实现了1 kW的平均功率，这表明在高功率运行时，光纤仍然能够保持良好的稳定性。在脉冲能量为1.5 mJ的情况下，平均功率为750 W，这进一步证明了这种新型光纤在脉冲操作中的高效性和可靠性。通过这些实验结果，研究人员展示了高HOM损耗PM光纤在实现高平均功率和高脉冲能量方面的潜力。

这些成果不仅在技术上具有重要意义，还可能推动多个领域的应用发展。例如，高平均功率和高脉冲能量的光纤放大器可以用于长距离相干激光雷达，提供更精确和稳定的信号传输。此外，它们在空间部署的频率梳系统中也具有潜在的应用价值，因为这些系统需要高度稳定的光源。在量子计算和精密测量领域，这些光纤放大器的性能提升也可能带来新的研究机会。

研究还指出，除了提高HOM损耗外，还有其他方法可以提升LMA光纤的非线性阈值。例如，通过调整光纤的材料组成，可以优化热光和布里渊系数，从而实现超过1 kW的连续波输出功率。此外，模拟结果也表明，材料组成对非线性阈值和激光性能具有重要影响。另一种方法是使用光子带隙光纤，通过玻璃结构的工程设计支持单模操作，已经实现了1.37 kW的连续波输出功率。

在实际应用中，研究人员还尝试了使用锥形光纤结构来支持高功率输出。这种方法已经在连续波和皮秒脉冲操作中得到了验证，能够实现数百瓦的输出功率。此外，设计特殊的包层结构的光纤也被证明可以支持高达400 W的连续波输出功率。

本研究中使用的26微米模场直径的PM光纤，其性能在多个方面都优于传统设计。通过实验数据的对比，研究人员发现这些新型光纤在实现高平均功率和高脉冲能量方面具有显著优势。这表明，高HOM损耗PM光纤不仅在连续波操作中表现出色，而且在脉冲操作中也能够保持优异的性能。

实验结果表明，这些光纤在脉冲操作中能够有效抑制非线性效应，同时保持良好的偏振稳定性和光束质量。这些性能的提升使得高功率光纤放大器在更多应用场景中成为可能，包括需要高稳定性和高输出功率的工业和科研领域。

在总结部分，研究团队强调了高HOM损耗PM光纤在实现高功率输出方面的潜力。这些光纤的设计不仅能够提高非线性阈值，还能够在保持环境稳定性的同时，提供更高的脉冲能量和平均功率。这些成果为未来高功率光纤激光器的发展提供了重要的理论和技术支持。

此外，研究团队还讨论了这些光纤在不同应用场景中的适用性。例如，在微加工领域，高功率光纤激光器可以用于切割和焊接高强度材料。在国防领域，这些激光器可以用于激光武器系统或目标指示。在科学研究中，高功率激光器可以用于光谱分析、粒子加速和量子光学实验。在激光雷达系统中，高功率和高稳定性可以提高探测距离和精度，特别是在恶劣环境条件下。

为了进一步验证这些光纤的性能，研究人员还进行了多次实验，并在不同的脉冲重复率下测试了输出功率和脉冲能量。实验结果显示，这些光纤在1 MHz和500 kHz的重复率下都能保持良好的性能，这表明它们具有广泛的适用性。

总之，这项研究展示了高HOM损耗PM光纤在实现高功率输出方面的巨大潜力。通过优化光纤设计和材料组成，研究人员成功克服了传统LMA光纤中的非线性效应问题，从而实现了高平均功率和高脉冲能量的输出。这些成果不仅推动了高功率光纤激光器的发展，还为未来的应用提供了新的可能性。