基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器关键技术分析及研究现状

孙仕豪，郑 也，于 淼，李思源，曹 镱，王军龙，王学锋

（北京航天控制仪器研究所,北京 100094）

1 引言

激光武器是一种定向能武器，可以定向发射高能激光束对目标进行干扰和毁伤，已得到了广泛的研究和应用[1-3]。在激光武器的各类激光光源中，光纤激光器由于能够输出数千瓦甚至数万瓦功率的高光束质量激光，是激光武器的理想光源之一[4]。但单根光纤的输出功率存在上限，光束合成方案是突破单纤功率上限，实现数十万瓦乃至兆瓦级别激光输出的可行技术路线[5-8]。光谱合成是目前大多数高能激光武器光源的实现方式。一般通过特定的合束光学元件将不同波长的高功率窄线宽激光合成为一束[5]。光谱合束元件主要是衍射光栅和双色镜，衍射光栅合束对子束激光的线宽要求一般在数GHz 到数十GHz[9]，而双色镜合束对子束激光线宽要求较低，可以放宽至数百GHz 甚至于数个nm[10-11]。

高功率窄线宽光纤激光器的中心波长、谱线宽度等主要由种子源的特性所决定。常见的窄线宽种子源主要有以下4 种：单频激光相位调制种子源、超荧光源窄带滤波种子源、随机光纤激光窄带滤波种子源和多纵模振荡窄线宽种子源[12-15]。其中，多纵模振荡种子源具有结构简单、可靠性高、维护性好、成本低等特点，在实际工程应用中有着显著优势。但在功率放大过程中存在着光谱展宽、受激拉曼散射等非线性效应，从而会影响其应用效果[16-17]。然而，随着相关技术的发展，已可实现对非线性效应的有效抑制，在提高输出功率的同时能够显著改善光谱纯度，提高了基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器的应用前景。

本文介绍了4 种典型窄线宽激光种子源的基本原理和激光特性，重点对基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽激光放大进行了介绍，对提升其性能的方法进行了重点分析，总结了近年来该技术领域的发展情况，最后对未来发展方向进行了展望。

2 典型窄线宽激光种子源

在高功率窄线宽光纤激光器中，由于光纤内光功率密度高，在激光放大过程中极易出现受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering,SBS）、自相位调制（Self-Phase Modulation,SPM）、四波混频（Four Wave Mixing,FWM）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering,SRS）等多种非线性效应。由于4 种典型窄线宽种子源的工作机理不同，它们对不同非线性效应的抑制能力也不同，故首先介绍不同类型种子源的激光特性。

（1）单频激光相位调制种子源：只输出一个纵模的单频激光器无法直接用作于高功率窄线宽激光器的种子源。这是由于单频激光器线宽极窄而对应的受激布里渊散射阈值极低。对于这种情况，通常使用高速相位调制器展宽单频种子源的光谱，用来降低光谱功率密度、抑制SBS 效应[14]。该种子源结构如图1（a）所示。这种方法的特点在于经相位调制的激光时域特性仍然稳定，在功率放大过程中也不会产生明显的光谱展宽，并且可以根据实际需求改变调制信号的参数。常用的相位调制信号包括射频高斯白噪声、正弦信号和伪随机序列码等[18]。该方案的功率可以定标放大至5 kW 以上[19]，但其主要问题在于激光系统结构复杂、器件集成度较低且成本较高，另外，经相位调制后种子光功率仍然较低，在进入主放大级之前需要引入多级预放来提升种子功率，在工程应用中其可靠性和经济性较差。

图1 不同窄线宽种子源示意图。（a）单频激光相位调制种子源；（b）超荧光光源窄带滤波种子源；（c）随机光纤激光器种子源；（d）多纵模振荡种子源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）超荧光源窄带滤波种子源：超荧光源具有无纵模特性、光子在光谱范围内均匀分布的特点[20]。其在抑制SBS 效应方面具有天然优势。一般采用滤波技术从掺镱光纤的放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）光谱中滤出窄线宽种子光，再引入预放和主放对其进行功率放大，窄线宽ASE 种子源结构如图1（b）所示。这种方案的特点在于种子光的无纵模特性、抑制SBS 效应的能力较强。主要缺点是输出激光在时域上仍然具有一定起伏，在放大过程中所面临的SPM 效应使得激光出现了一定程度上的光谱展宽。此外，滤出的窄线宽种子光功率较低，需要经多级预放进行功率放大后才能接入主放大级，激光系统结构较为复杂。

（3）随机光纤激光窄带滤波种子源：随机光纤激光器由单模无源光纤中的瑞利散射效应提供随机分布式反馈，可在没有固定谐振腔的情况下实现激光激射[21]。种子源结构如图1（c）所示。这种方案的特点在于随机光纤激光器的高时域稳定性和无稳定纵模特性，在窄线宽激光的放大过程中不易产生SBS 等效应。其主要问题在于无源光纤较长且需要多级预放进行功率放大，难以适应集成化的光谱合束需求，此外在高功率时也会出现光谱展宽的现象。

（4）多纵模振荡窄线宽种子源：振荡种子源的结构简单，在增益光纤两端接入窄线宽光纤光栅形成谐振腔即可[22,23]。种子光光谱由耦合光栅的性能所决定，由振荡纵模间隔公式Δν=c/2nL（其中：c为真空中的光速；n为折射率；L为腔长）可知，振荡种子源中存在多个纵模，另外，在时域信号上存在噪声，振荡种子源结构如图1（d）所示。这种方案的特点在于激光系统结构简单稳定，并且可以直接对振荡种子光进行功率放大，没有复杂的电光调制器件，适用于复杂电磁环境。主要问题在于种子光的光谱存在多纵模，在放大过程中会产生严重的非线性效应。从应用领域来看，光谱合成技术对激光线宽要求不高，基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器基本可以满足光谱合成的要求，同时该方案还具备集成度高、造价低廉和鲁棒性强的特点。如何改善振荡种子源的激光特性是相关研究领域的研究热点之一。

3 基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光放大特性

当多纵模振荡种子源激光的功率被放大至数千瓦时，出现的非线性效应以SPM、FWM 和SRS为主，在光谱上表现为激光峰的展宽和拉曼峰的增强。激光光谱纯度劣化的问题为后续的光谱合束应用带来了效率降低、杂散光增多、光束质量劣化等不良影响。综合大量研究成果发现，出现上述问题的原因主要在于种子光的时域稳定性较差。

实验表明连续光振荡种子源在时域上并不稳定，存在高低起伏的振荡脉冲，即为“自脉冲现象”。该现象指的是连续光纤激光器在无调制时出现了大幅振荡脉冲序列，且该脉冲间隔与振荡腔长度相对应。目前已知自脉冲现象普遍存在于光纤激光器中，使得信号光峰值功率瞬时提升，再叠加光纤纤芯中激光能量密度极高等因素，最终显著降低了SPM、FWM 和SRS 等非线性效应的阈值[24,25]。此外，在主振荡功率放大（Master Oscillator Power-Amplifier,MOPA）结构中，产生于种子源的自脉冲在进入放大级后得以迅速放大，成为限制激光器功率提升的重要因素之一[26]。

根据自脉冲的时域特征，可以将其分为类弛豫振荡脉冲（Sustained Self-Pulsing,SSP）和自锁模脉冲（Self-Mode Locking,SML）[27,28]。SSP 对应着输出时域上出现的抖动脉冲包络，内部包含着一系列SML 信号。SSP 的振幅较大，脉冲宽度和脉冲间隔在微秒量级。该现象与振荡腔的弛豫振荡相关，通常在泵浦功率较低时容易观测到，一般会随着泵浦功率的提升逐渐消失。SML 脉冲间隔较为稳定，对应着振荡腔往返周期，一般在数十纳秒量级，脉冲振幅强度的随机性较强。基于其脉冲特点，在测量SML 时需要使用性能较好的耦合测量系统以及大带宽的光电探测器。目前关于自脉冲的产生机理尚不明确，研究人员提出多种解释，包括腔内额外损耗调制机制[29-32]、掺杂离子对的可饱和吸收体作用[27,33]、反转粒子数与激光信号相互作用引起的弛豫振荡等[34]。

激光功率对自脉冲效应有较大影响，如图2所示[35]。在泵浦光功率刚达到激光振荡阈值时，自脉冲现象主要是在微秒尺度上的SSP 脉冲，这是由于增益离子的上能级反转率处于激光阈值，表现出明显的弛豫振荡现象。自脉冲现象在十纳秒尺度上表现出SML 脉冲特征，脉冲周期较短。随着泵浦功率的提升，在微秒尺度上的SSP 脉冲逐渐消失。这是由于泵浦功率的提升使得腔内的增益离子实现了快速反转。在十纳秒尺度上的SML脉冲周期逐渐稳定，对应于振荡腔内光子的往返时间[35]。从激光时域标准差、归一化极差和时序归一化标准差等统计数据来看，提升激光功率在一定程度上有助于抑制自脉冲强度，但随着功率的进一步提升，该抑制效果易于达到饱和状态，无法进一步降低自脉冲强度[28]。

图2 不同功率和时间尺度上的自脉冲时域信号。（a）在微秒尺度上的激光阈值自脉冲；（b）在十纳秒尺度上的激光阈值自脉冲；（c）在微秒尺度上的较高功率激光自脉冲；（d）在十纳秒尺度上的较高功率激光自脉冲[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 基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光放大优化方法

4.1 种子源时域性能优化

对多纵模振荡种子源和放大级进行优化，进一步挖掘其潜力是相关研究领域的重点。为提升窄线宽多纵模振荡激光器的输出功率和光谱纯度，通过抑制自脉冲来抑制光谱展宽和拉曼分量是优化种子源的重要手段。目前报道的自脉冲抑制方案主要包括提高腔内光子寿命、引入F-P 腔选模、改进泵浦方式和采用环形腔减少纵模数等[26,30,36-39]。

2015 年，韩国汉阳大学的Lee 等人认为振荡腔内的自脉冲特性与腔内光子寿命有关，腔内光子寿命可通过下式得到[39]：

其中：τC为腔内光子寿命；n为光纤纤芯折射率；L为振荡腔长；c为真空光速；R1和R2分别是光栅对的反射率；α为振荡腔内损耗。可以看出降低振荡腔内损耗和增加腔长都有益于提高光子寿命。

降低腔内损耗主要在于增加输出耦合光栅的带宽，赵翔等人研究了改变光栅带宽对振荡腔自脉冲特性的影响。四支具有相同反射率的输出耦合光栅的带宽分别是0.06 nm、0.1 nm、0.4 nm 和0.6 nm，对应的高反光栅性能保持一致。研究表明随着输出耦合光栅带宽的增加，功率变化较小，但时域抖动的标准差明显下降，如图3（彩图见期刊电子版）所示[35]。由于在振荡腔内的纵模间隔保持不变时，增加输出耦合光栅的带宽将提高输出激光的纵模数量并降低纵模振幅梯度，进而增强纵模之间的相位耦合、加速纵模相位演化，使得输出时序中的随机脉冲加快猝灭，另外，纵模数的增加还将降低自脉冲叠加形成强脉冲的概率[28]。该研究表明了：增加输出耦合光栅的带宽有助于降低腔内损耗并增加腔内光子寿命，最终使得激光自脉冲信号强度降低，但为了保证窄线宽激光输出，输出耦合光栅的带宽不应过大。此外，降低光纤熔接损耗和提高光栅反射率也有助于降低腔内损耗[40]。

图3 不同带宽输出耦合光栅构成的振荡腔时域测试结果[35]Fig.3 Test results of oscillating cavity constructed by different bandwidths OC-FBGs in time domain [35]

提高腔内光子寿命的另一种方法是增加振荡腔长。2009 年，美国罗彻斯特大学的Guan 等人在0.36 nm 带宽的振荡腔内增加了长度为2 349 m的传能光纤。结果表明该方案有效增加了腔内光子寿命并抑制了自脉冲现象[36]。2018 年，通过在高反光栅和泵浦合束器之间增加340 m 的单包层光纤，赵翔等人对比研究了增加腔长前后的激光时域特性，如图4 所示[35]。结果表明在增加腔长后，微秒尺度的归一化时域信号标准差下降至原有值的1/4，纳秒尺度上也不再出现周期性脉冲。通过计算发现在增加腔长后，腔内光子寿命由37 ns 延长至670 ns。此现象的解释是较强的自脉冲在长距离光纤传输过程中产生了较强的SPM 效应，导致强脉冲发生了脉冲分裂，降低了自脉冲的强度[30]。另有理论研究发现当振荡腔长的改变量较小时，比如对于1 m 和5 m 长度的谐振腔，其SML 脉冲间隔不同，但对应的归一化瞬时功率未发生明显变化。这是由于当腔长较短时，信号光未能产生有效的SPM 效应[28]。

图4 不同腔长振荡器在输出功率为18.25 W 时不同尺度下的时序特性。（a）微秒尺度下的时序特性；（b）纳秒尺度下的时序特性[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 腔选模也可以抑制振荡腔内的自脉冲效应，此时激光器中存在多个振荡腔，也被称为复合腔结构。2014 年，韩国汉阳大学的Lee 等人通过搭建额外的空间耦合F-P 腔来控制振荡腔内的起振纵模，如图5 所示。他们发现当F-P 腔长大约超过50 cm 时，可以较好地抑制腔内的弛豫振荡自脉冲[37]。基于游标效应（Vernier effect）分析实验现象发现，只有同时满足每个振荡腔频率要求的激光才能起振，即为复合振荡腔整体的纵模间隔是每个振荡腔纵模间隔的最小公倍数。因此，较大的纵模间隔有利于复合振荡腔输出单频种子光[41]。该实验中，空间耦合F-P 腔的引入使得激光器结构复杂。因此，在保留全光纤化优势的前提下，通过引入额外的F-P 腔来实现自脉冲抑制，是相关研究的延伸方向之一。

图5 （a）不含有和（b）含有空间耦合F-P 腔抑制自脉冲实验示意图Fig.5 Schematic diagram of self-pulse suppression experiment (a) without and (b) with spatially coupled F-P cavity

为了实现全光纤化的复合振荡腔，2017 年，赵翔通过引入光纤光栅LR2 构建了光纤F-P 腔，如图6 所示[35]。他们发现通过构建全光纤化的复合腔结构，可以有效抑制种子光的自脉冲现象，而且种子光时域强度的标准差由0.63 下降至0.28，信号强度的分布范围由0～6.8 下降至0～3。抑制机理在于单个振荡腔的振荡纵模受增益光纤热效应影响较大，会诱发持续的寄生振荡，从而加剧自脉冲，在形成复合振荡腔后，振荡纵模需要同时满足两个腔结构（LR1 和HR、LR2 和HR），有利于稳定振荡频率，LR2 与HR 形成的F-P 腔为无源光纤腔，受环境影响较小。从腔内光子寿命角度分析，增加了F-P 腔同时也延长了腔内光子寿命，有助于抑制自脉冲效应。

图6 全光纤化的复合振荡腔示意图Fig.6 Schematic diagram of complex oscillator cavity with all-fiber configuration

复合振荡腔结构还能在一定程度上抑制激光放大过程中的光谱展宽效应。赵翔等人对图6 中的种子光进行放大，以芯/包直径为20/400 μm 的掺镱大模场光纤为增益光纤，实现了1 148 W 的激光输出，光光效率达到了83%，不同功率的光谱如图7（彩图见期刊电子版）所示[35]。通过构建复合振荡腔结构，在最大输出功率时SRS 抑制比由单振荡腔的35.65 dB 提升至40.40 dB，3dB 带宽由0.40 nm 下降至0.32 nm，20 dB 带宽由2.12 nm下降至1.15 nm。复合振荡腔的种子光在时域上更为稳定，因此在激光放大过程中，受SPM 和FWM影响较小，光谱展宽效应得到了有效抑制。

图7 基于振荡腔种子级的高功率激光光谱。（a）对单振荡腔种子光进行放大后的激光光谱；（b）对复合振荡腔种子光进行放大后的激光光谱[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]

除了上述延长腔内光子寿命、增加F-P 腔形成复合振荡腔外，改进泵浦方式[30,42]和采用环形腔结构[43]也能在一定程度上抑制自脉冲效应，但实用性仍然较差。

4.2 放大级性能优化

为了提升基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光器的性能，在优化振荡种子源的基础上，还需要对激光器的放大级进行针对性的优化，重点也在于抑制光谱展宽、拉曼分量和模式不稳定效应。具体措施包括优化泵浦方式、适当增加增益光纤模场面积、引入啁啾倾斜光栅、一体化器件制备、改变弯曲半径等[23,44-48]。

泵浦光为激光放大提供能量，优化其注入方向、前后向泵浦比例、泵浦波长等均对放大级性能有所影响。对于窄线宽激光器来说，需要考虑不同泵浦方式对光谱展宽的影响。2021 年，清华大学的肖起榕等人研究了不同泵浦方向对光谱展宽的影响。结果表明反向泵浦的光谱展宽最小、双向泵浦次之、正向泵浦的光谱展宽最严重，经实验测试与计算结论一致[46-47]。中国工程物理研究院的孙殷宏等人计算了不同泵浦方向与光谱展宽程度之间的定量关系，当分别注入100 W 正向和反向976 nm 泵浦光时，对应的光谱展宽值分别为16.7 pm 和7.3 pm[23]。双向泵浦抑制模式不稳定能力最强，国防科技大学的周朴等人通过数值模拟软件模拟了不同反向泵浦比例对模式不稳定效应的抑制能力。对于20/400 μm 光纤来说，较理想的反向泵浦功率占比约为75%[45]。模拟结果还表明锁定泵浦波长不仅有助于抑制光谱展宽，还有助于缩短增益光纤长度，在一定程度上能够提高非线性效应阈值[46]。

增大增益光纤的模场面积可以降低纤芯中的光功率密度并抑制非线性效应，而减小模场面积则有助于提升模式不稳定阈值，两种效应相互制约[48]。在窄线宽激光器中，还需额外考虑不同模场面积的增益光纤对光谱展宽的影响，清华大学的肖起榕等人经研究得知：受SPM、FWM 等效应引起的光谱展宽可以由下式表示[46]：

其中：An、Ak、Al分别为第n、k、l个纵模的复振幅；是第k+l-n个纵模的共轭复振幅；n2为增益光纤的非线性折射率；ω0为中心角频率；Aef f为增益光纤的有效模场面积；g(z)为增益系数。可以看出增益光纤的模场面积越小，则光谱展宽约明显。从模拟结果来看，直径20 μm 增益光纤的光谱展宽程度远大于直径为25 μm 和30 μm 增益光纤的光谱展宽，而后两者的光谱展宽程度相仿[46]。

基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器中的SRS 效应较强，也需要有针对性地进行优化。啁啾倾斜光栅（CTFBG）可将较宽波长范围内的纤芯光滤除进入光纤包层，实现宽带滤波的效果[49-50]。通过对其周期、倾斜角度、啁啾率和光纤长度进行设计，使其滤波波长对应于SRS 波长处，可用于抑制激光器中的SRS 效应。2018 年，国防科技大学的王蒙等人设计制备了CTFBG，并将其接入高功率激光系统的振荡级与放大级之间[49]。发现其SRS 抑制比增加了10 dB、信号光功率占比由98.90%提升至99.88%。而且CTFBG 对激光器的输出功率、效率和光束质量都没有影响。北京航天控制仪器研究所的研究团队在激光器的输出端帽前引入了CTFBG。该CTFBG 的长度为1.5 m，透过波长范围为1 064～1 080 nm，对透过光的损耗低于0.15 dB。损耗波长范围对应着信号光的受激拉曼波长，损耗谱带宽大于15 nm，损耗强度大于20 dB。实验结果表明，当输出功率达到1 100 W 时，在输出端帽前引入CTFBG 可将SRS 抑制比提高9.5 dB，如图8（彩图见期刊电子版）所示。

图8 引入CTFBG 前后1 kW 窄线宽激光的SRS 抑制情况Fig.8 SRS suppression of 1 kW narrow line width fiber laser with and without CTFBG

总体来看，对基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光器进行性能优化是一个多维度的系统工作。振荡腔种子源的优化工作在于抑制自脉冲，进而实现抑制光谱展宽和SRS 的效果。主要措施是适当增加低反光栅带宽、引入额外F-P腔，从而形成复合腔结构等。对放大级的优化在于直接抑制非线性效应，主要措施为调整泵浦注入方向及功率比例、调整光纤模场面积和引入啁啾倾斜光栅等。

5 国内外研究现状及展望分析

近年来，国内对基于多纵模振荡种子源的高功率窄线宽光纤激光器的研究工作较多，主要研究机构有中国科学院上海光学精密机械研究所、国防科技大学、中国工程物理研究院、天津大学、清华大学、南京理工大学等单位，国外在该领域公开报道的研究成果相对较少。本节重点对近3 年的相关研究进展进行介绍，并对相关领域的发展方向进行了展望。

5.1 种子源优化研究进展

国防科技大学的研究团队在基于振荡腔种子源的优化方面开展了多项工作[51-53]。2021 年，张嵩等人采用复合腔种子源研究了抑制SRS 的效果，如图9 所示。共搭建了3 种不同类型振荡腔种子源，分别为常规腔型、复合腔及加长复合腔。然后接入图9（d）所示的光路，并引入一段长度为50 m 的单模光纤来测试SRS 的激发情况[51]。结果表明：在73 W 功率量级下，3 种腔型的SRS 抑制比分别是30.5 dB、42.6 dB 和47.9 dB，相应的时域信号强度逐渐稳定。该研究通过复合腔结构实现了对激光放大过程中SRS 效应的有效抑制。

图9 （a）常规腔型种子源、（b）复合腔种子源、（c）加长复合腔种子源、（d）放大级光路示意图[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，国防科技大学的田鑫等人通过优化种子结构和光栅参数来提升种子激光的时序特性，如图10 所示。采用中心波长均为1 080 nm的两个高反光栅和一个输出耦合光栅（3 dB 带宽分别为3、3、0.05 nm，反射率分别为99%、99%和10%）搭建了复合振荡腔种子源，实现了4.45 kW激光输出，M2约为1.5，3 dB 线宽为0.5 nm，SRS抑制比为24.5 dB[52]。在同样的光路结构上，他们将3 个光栅的反射率分别调整为99%、50%和10%，并在种子和放大级之间加入隔离带通滤波器（BPF），实现了5 kW 输出功率，3 dB 线宽约为0.48 nm，SRS 信噪比约为28.3 dB，光束质量M2约为1.4[53]。该研究通过复合腔结构实现了高功率、高光束质量的窄线宽激光输出。

图10 基于复合腔振荡种子源的窄线宽单级MOPA 结构激光系统示意图[52]Fig.10 Schematic diagram of narrow-linewidth single stage MOPA configuration laser system based on complex cavity oscillator seed source[52]

5.2 放大级优化研究进展

2020 年，中国工程物理研究院的王岩山等人搭建了保偏窄线宽光纤激光放大光路[54-55]。种子源采用保偏光纤与一对光纤光栅作为振荡腔，并采用短腔长方案实现窄线宽输出，放大级采用双向泵浦结构，最终实现了3.08 kW 的窄线宽线偏振光纤激光输出，3 dB 线宽为0.2 nm，SRS 抑制比为20 dB。

2021 年，天津大学的史伟等人研究了短波长1 045 nm 的激光放大方案，通过调整放大比例、优化泵浦结构和光纤长度，主放大级采用20/400 μm 增益光纤，实现了2.4 kW 激光输出，光束质量M2约为1.2[56]，3dB 线宽的展宽倍率为3 倍（种子光32 GHz 至高功率激光96 GHz），SRS 抑制比为33 dB。如图11 所示。

图11 1 045 nm 窄线宽光纤激光器光路示意图Fig.11 Schematic diagram of optical path of 1 045-nm narrow-linewidth fiber laser

2022 年，清华大学的肖起榕等人搭建了如图12 所示的窄线宽光纤激光放大器。其种子腔外接6 m 长的10/130 μm 增益光纤用于进一步吸收残余泵浦光。主放大级中的20/400 μm 增益光纤按照梅花状排布。该窄线宽光纤激光放大器基于反向泵浦输出了3.31 kW 功率激光，光束质量M2约为1.32，3dB 线宽为0.4 nm，SRS 抑制比为26.3 dB[57]。

图12 3.3 kW 窄线宽光纤激光器光路示意图Fig.12 Schematic diagram of the optical path of a 3.3 kW narrow-linewidth fiber laser

2022 年，南京理工大学的郑云瀚等人理论研究了“种子-放大级共享泵浦”结构对ASE 效应的抑制，如图13 所示。实验搭建了对应中心波长为1 050 nm 的激光光路[58]。在此光路基础上，结合短腔长振荡种子源和增益光纤温度控制方案，实现了功率为3.1 kW 的激光输出，3 dB 带宽为0.22 nm、非线性抑制比高达45.5 dB、光束质量M2约为1.33、无模式不稳定现象。该研究为短波长窄线宽激光器的设计提供了参考方案。

图13 “种子-放大级共享泵浦”结构示意图Fig.13 Structural diagram of the “seed-amplifier sharing pump”

北京航天控制仪器研究所的研究团队搭建了窄线宽光纤激光器结构。种子源采用一对窄线宽光纤光栅形成振荡腔。以3.5 m 长的10/125 μm掺镱光纤作为增益光纤。种子源功率为20 W，3 dB 线宽约为0.04 nm。放大级基于双端泵浦方式，获得了2.04 kW 的激光功率输出，3 dB 线宽约为0.24 nm，SRS 抑制比大于30 dB，光束质量因子M2约为1.3。研究发现泵浦方式对光谱展宽的影响规律，如图14（彩图见期刊电子版）所示。单独施加正向泵浦的展宽速率为0.115 pm/W，展宽速率较快；单独施加反向泵浦的展宽速率为0.075 pm/W，展宽速率较慢；双向泵浦至满功率输出，展宽速率为0.094 pm/W，介于二者之间。实验结果表明后向泵浦方式可以在一定程度上减缓光谱展宽速率。

图14 不同泵浦方式的线宽变化规律Fig.14 The variation of line width under different pumping methods

国外在高功率窄线宽光纤激光器方面的研究以相位调制种子源为主，关于振荡腔种子源放大的报道相对较少。2022 年，伊朗沙希德·贝赫什提大学的研究团队对基于振荡腔种子源的光谱展宽效应进行了实验研究。针对多峰光谱现象，采取了等径盘绕的方法来抑制高阶模式，并研究了泵浦方向对光谱展宽和光光效率的影响，发现仅正向泵浦时输出激光的3 dB 线宽为0.121 nm，是仅有反向泵浦时对应线宽（0.084 nm）的1.5 倍[59]。

总的来看，基于多纵模振荡种子源的窄线宽光纤激光器仍然是高功率激光领域的研究热点之一，近两年来也取得了较多成果。在种子源的优化方面，通过增加F-P 腔形成复合腔结构，可以抑制光谱展宽和受激拉曼散射效应，且结构紧凑，适用于工程化，已成为实现高功率窄线宽激光输出的关键技术。但复合腔的结构多样，目前已有HR-LR2-YDF-LR1、HR-YDF-nLR-wLR 和HR1-HR2-YDF-OC 等多种结构报道，并且复合腔器件的关键参数对实验结果有较大影响，因此，需要有系统的理论和实验工作进行指导。在放大级的优化方面，主要研究方向在于抑制光谱展宽、抑制受激拉曼散射和抑制模式不稳定效应等，相对来说该层面的优化策略较为成熟。

6 结束语

定向能激光武器的发展对更高功率的激光光源提出了迫切需求，受限于单根光纤的输出能力上限，采用光谱合成技术将窄线宽子束激光进行共孔径合成是高功率激光领域的重要研究方向。本文首先对比介绍了4 种不同类型的窄线宽种子源。其中，多纵模振荡种子源的时序特性较差，导致激光在放大过程中容易出现光谱展宽和受激拉曼散射。但其光路简单、结构紧凑、可靠性好、成本较低，在实际工程应用中及空间受限的载荷平台有着显著优势，尤其是随着光谱合成技术的发展，放宽了对子束线宽的要求。因此，多年来基于多纵模振荡种子源的窄线宽激光放大仍是业界的研究重点之一。

本文着重对振荡种子源的时域特性进行了介绍，其时域不稳定特性主要归因于自脉冲现象，之后介绍了振荡种子源时域特性的优化方案，包括提高腔内光子寿命、引入F-P 腔选模和改进泵浦方式等。在优化振荡种子源的基础上，还介绍了对放大级的针对性优化。最后，对近几年的相关研究进行了归纳总结，随着基于多纵模振荡种子源的窄线宽激光器向着更高功率、更纯净光谱的方向发展，光谱合成方案的输出功率也将随之提高，最终推动定向能激光武器向更加经济、更加紧凑、更加贴近实战化方向发展。