基于自制超低吸收LMA-30/400掺镱光纤的5千瓦窄线宽单模激光器研究

【编辑推荐】为突破高功率窄线宽光纤激光器的非线性效应阈值与性能瓶颈，研究人员通过设计超低包层吸收(0.22 dB/m@915 nm)的LMA-30/400掺镱光纤，结合白噪声相位调制技术，实现了5020 W输出功率、0.135 nm线宽(Δλ3dB)及M2≈1.21的近衍射极限光束质量，且未出现横向模式不稳定性(TMI)。该研究为高功率窄线宽激光器的实用化提供了新思路。

　　

在激光技术领域，高功率窄线宽光纤激光器因其在光谱/相干光束合成、量子信息、精密干涉测量等领域的广泛应用而备受关注。然而，随着功率提升，受激布里渊散射(SBS)、受激拉曼散射(SRS)等非线性效应以及横向模式不稳定性(TMI)成为制约性能的关键瓶颈。如何平衡非线性效应抑制与TMI阈值提升，同时保持窄线宽(<0.15 nm)和近衍射极限光束质量(M²≈1)，成为当前研究的核心挑战。

中国工程物理研究院激光聚变研究中心（ICM, CAEP）的研究团队通过创新设计，制备出超低包层吸收的LMA-30/400掺镱光纤（包层吸收0.22 dB/m@915 nm，纤芯数值孔径NA=0.065），并系统研究了弯曲直径对包层吸收的影响规律。基于该光纤构建的主振荡功率放大(MOPA)系统，采用白噪声相位调制技术抑制SBS，最终实现了5020 W的窄线宽激光输出，斜率效率高达81.4%，光束质量M²≈1.21，且未观察到TMI现象。相关成果发表在《Optics》上。

关键技术方法包括：1）通过改进化学气相沉积(MCVD)结合螯合物气相掺杂技术制备LMA-30/400定制掺杂光纤；2）采用后向泵浦MOPA结构，结合电光相位调制器(EOPM)和白噪声源(WNS)将种子线宽展宽至0.15 nm；3）优化光纤弯曲直径(10-20 cm)和长度(35 m)以降低包层吸收。

【研究结果】

1. 光纤特性：LMA-30/400光纤通过增大弯曲直径可显著降低包层吸收，915 nm波长下吸收率仅为0.22 dB/m，为TMI阈值提升奠定基础。
2. 激光性能：在976 nm非稳泵浦下，系统输出功率达5020 W，Δλ_3dB线宽0.135 nm，斜率效率81.4%，M²≈1.21，且无SRS和TMI现象。
3. 参数优化：当光纤弯曲直径从10 cm增至20 cm时，输出功率稳定性显著提升，周期性功率波动消失。

【结论与意义】该工作通过光纤结构创新和系统集成优化，首次在30 μm大模场光纤中实现5 kW级窄线宽激光输出，解决了大芯径光纤光束质量劣化的难题。研究证实超低包层吸收设计可有效抑制TMI，为未来更高功率、更窄线宽激光器的发展提供了重要技术路径。其采用的模式定制掺杂光纤和相位调制技术，对推动窄线宽激光器的工业化应用具有示范价值。