特邀论文：基于全玻璃熔融拉锥双包层光纤放大器的高功率单片窄线宽1.6 mJ/8 ns光纤激光系统

《Optical Fiber Technology》：Invited Paper: High-power monolithic narrow-linewidth 1.6 mJ/8 ns fiber laser system based on all-glass spun tapered double-clad fiber amplifier

高能窄线宽纳秒光纤MOPA系统基于螺旋拉制双包层光纤抑制布里渊散射，实现1.6 mJ脉冲能量，8 ns脉冲宽度，160 W平均功率及188 kW峰值功率，保持53.8 MHz线宽和<1.3>的M2因子，空间相干度达0.94，无需外部调制抑制布里渊散射。

　　本文介绍了一种基于全玻璃主动旋转梯度包层双包层光纤（sT-DCF）的高能、窄线宽、纳秒脉冲光纤主振荡功率放大器（MOPA）系统。该系统在无需采用外部抑制技术的情况下，成功实现了对受激布里渊散射（SBS）的抑制，从而能够产生具有高时间与空间相干性的脉冲。系统输出脉冲能量为1.6毫焦耳，脉冲持续时间为8纳秒，重复频率为100千赫兹，平均输出功率达160瓦，峰值功率达到188千瓦，斜率效率为97.6%，并且保持了超过97.5%的偏振度。此外，系统还表现出接近衍射极限的光束质量，其M2因子约为1.3，光谱线宽为53.8兆赫兹，空间相干度为0.94，这些性能指标对于许多高精度光学应用至关重要。

高能、窄线宽的纳秒脉冲在许多高科技领域中具有重要的应用价值。例如，在相干激光雷达（LIDAR）、深空通信、光刻技术中生成可见光和紫外光，以及相干光束合成和光谱光束合成等领域。这些应用通常需要高相干性的光学脉冲，即脉冲的光谱线宽需控制在几十兆赫兹量级，脉冲持续时间应为几纳秒，峰值功率可达到数百千瓦，并且能量水平需超过毫焦耳。然而，实现这些高性能参数时，SBS往往成为主要的限制因素。SBS会导致脉冲不稳定、反向反射脉冲以及光学组件的破坏性损伤，因此必须对其进行有效抑制。

在稳态SBS条件下（脉冲持续时间大于100纳秒），布里渊增益与光谱带宽成反比。因此，提高SBS阈值最有效的方法是通过外部相位调制拓宽光谱带宽。然而，在瞬态SBS条件下（脉冲持续时间小于10纳秒），情况变得更加复杂。尽管SBS阈值仍与带宽成反比，且随着脉冲持续时间的缩短而增加，但高强度脉冲会激发克尔非线性响应，导致斯托克斯模式通过时空耦合而增长。这种效应可能与其他非线性现象如横向模式不稳定性和自聚焦等相互作用，使得仅靠SBS抑制措施难以实现有效控制，需要采用更为复杂的策略。

为了解决这一问题，研究者采用了一种结合多种技术的方案，包括光谱拓宽、大模场面积（LMA）光纤和纵向核心直径变化，以实现瞬态SBS条件下的高功率与高能量输出。这种方法在一些实验中已成功实现脉冲能量达到1.25毫焦耳，峰值功率高达180千瓦。然而，尽管这些技术在一定程度上提高了系统性能，它们通常会对脉冲的时间相干性造成影响，因此对于需要高光谱亮度的应用，如多普勒LIDAR和相干光刻，这种妥协是不可接受的，因为最小的光谱线宽对于系统性能至关重要。

本文提出的系统则提供了一种新的解决方案，通过使用sT-DCF放大器，无需外部光谱调制即可保持原始脉冲的相干性。sT-DCF是一种具有纵向逐渐增加核心直径的光纤结构，这种设计不仅有助于抑制SBS，还能维持高功率和高能量输出的同时保持良好的光束质量。sT-DCF的特殊几何结构允许布里渊增益谱的非均匀拓宽，从而有效抑制了反向传播的斯托克斯波。此外，光纤的旋转结构使得局部偏振状态持续变化，减少了前向与反向波之间的有效偏振重叠，进一步降低了布里渊增益并增强了整体的SBS抑制能力。

该系统的实验设置采用了MOPA架构，由前端种子激光系统、主放大器和光束特性分析单元组成。前端种子激光系统使用了半导体分布式反馈（DFB）激光器，在连续波（CW）模式下工作，波长为1040纳米，光谱线宽为10兆赫兹。通过声光调制器（AOM）进行外部调制，将CW激光转换为8纳秒的脉冲，并以100千赫兹的重复频率运行。为了防止不必要的反向反射，系统在AOM前放置了一个隔离器。脉冲随后经过多个预放大器阶段进行放大，每个预放大器由60厘米长的掺铒光纤构成，并由976纳米波长的单模激光二极管泵浦。经过预放大器后，脉冲被进一步放大至100毫瓦，并通过一个99:1的光分路器进行监控，最终被送入主放大器进行高功率放大。

主放大器部分采用了双向泵浦的sT-DCF结构。通过连续调整拉丝速度和预制件进料速度，形成了一个锥形的纵向变化结构，使得核心直径和包层直径沿光纤长度逐渐变化。为了实现旋转结构，拉丝过程中同时控制预制件的旋转，以确保整个光纤长度上旋转周期保持一致。这种旋转结构有助于均匀分布光纤内部的非均匀性，从而减少偏振误差并提高偏振稳定性。同时，光纤的较大模场面积和纵向变化的结构使得泵浦光的吸收效率显著提高，支持了高能脉冲的高效放大。

该系统的输出具有优异的光束质量，其M2因子在1.6毫焦耳脉冲能量和160瓦平均功率下保持在1.3左右。此外，输出光束表现出高度稳定的偏振状态，偏振度超过97.5%。在光谱特性方面，系统输出的光谱线宽为53.8兆赫兹，表明其具有良好的光谱纯度。在空间相干性方面，系统表现出较高的空间相干度，约为0.94，这一特性对于许多需要高相干性的应用具有重要意义。

为了评估系统的相干性，研究者使用了波前折叠干涉仪（WFI）测量了种子激光和主放大器输出脉冲的空间和时间相干性。结果显示，种子激光在连续波运行时具有约9.5米的时域相干长度，而在经过AOM调制后，脉冲长度为8纳秒，对应的时域相干长度为2.4米。经过主放大器的放大，时域相干长度保持在较高水平，同时空间相干性也表现出良好的稳定性。这些结果表明，sT-DCF结构不仅能够有效抑制SBS，还能在保持脉冲相干性的同时实现高功率输出。

本文还讨论了光束质量与空间相干性的关系。对于部分相干的高斯-施尔模型光束，光束质量与空间相干度成反比。因此，高光束质量通常意味着较低的空间相干度。然而，本文中系统输出的M2因子约为1.3，表明其具有较高的空间相干度。这一结果进一步验证了sT-DCF在保持高相干性方面的优势。

综上所述，本文提出了一种无需外部光谱调制的高能、窄线宽纳秒脉冲光纤MOPA系统，通过利用sT-DCF的结构特性，实现了对SBS的有效抑制，同时保持了高光束质量、高偏振度和高空间相干度。该系统在保持脉冲相干性的同时，能够提供较高的能量和功率输出，适用于多种需要高相干性的光学应用。未来的研究将致力于进一步提高系统性能，探索更优的光纤几何结构以实现更高的SBS抑制效果。