超窄线宽单频光纤激光：突破界限的技术创新

超窄线宽单频光纤激光是一类线宽在kHz量级（10－9 nm），单一横模（单模）、单一纵模（单频）、单一偏振态的光纤激光。由于线宽极窄，光束质量高，因此在相干通信、激光雷达、光纤传感等领域得到了广泛应用。据测算，利用单频激光可将目前通信容量提高3个数量级，满足未来10年带宽增长的需求；利用单频激光制作的传感系统，可将传感灵敏度提高23个数量级。

实现单频激光输出有短腔法、扭转模腔法、耦合腔法等多种方法。对于光纤激光器，短腔法具有结构简单、有利于器件小型化和全光纤化的特点，是实现单频激光的优选方案。当激光器腔长缩短时，腔内纵模间隔增大，有利于实现单纵模输出，同时输出单频激光的线宽也越窄，但也意味着对光纤单位增益要求越高。由于多组分玻璃的稀土离子掺杂浓度远高于石英玻璃，可以在很短的光纤内实现高增益，因此，此类光纤在实现窄线宽单频激光输出方面具有明显的优势。

2012年，Zhu等利用高增益Ho3+：ZBLAN玻璃光纤，在1.2μm波段实现了线宽＜100 kHz、信噪比＞50 dB的单频激光输出［86］。华南理工大学杨中民等研制出Yb3+单掺和Er3+/Yb3+共掺高增益多组分玻璃光纤，分别实现了1.0μm波段线宽1.8 kHz、功率408 mW、信噪比76.2 dB和1.5μm波段线宽0.6 kHz、功率306 mW、信噪比75.8 dB的超窄线宽单频激光输出［87，88］。随后，基于Yb3+掺杂高增益多组分玻璃光纤，通过LiNbO3倍频，实现了输出功率68 mW、转换效率30.3%、激光线宽15 kHz的489 nm全光纤单频蓝色激光输出［89］。2018年，华南理工大学董国平等基于Er3+/Yb3+共掺的氟氧化物微晶玻璃光纤，实现了线宽7.4 kHz的1.55μm单频激光输出［90］。光纤微晶化之后，斜率效率由8.9%提高到11.8%；激光阈值95 mW；输出功率约22 mW；信噪比63 dB；相对强度噪声在30 MHz处为－148.8 dB/Hz，接近散粒噪声极限。唐国武等则在Er3+/Yb3+共掺多组分磷酸盐玻璃中掺入金属Ag纳米颗粒，通过增强局域场效应和金属纳米粒子与稀土离子之间能量转化效应，将1.53μm荧光发射提高了81%，并成功制备出单模光纤，构建了光纤激光器，在1.8 cm的光纤中实现了54 mW、1.53μm单频激光输出，斜率效率为12.6%［91］。

在引力波探测、相干激光雷达、非线性频率转换、相干激光合束等领域的需求牵引下，近年来提高输出功率成为单频光纤激光的新目标。有关研究表明，光纤中受激布里渊散射（stimulated Brillouin scattering，SBS）、热诱导模式不稳定（thermalinduced mode instability，TMI）是限制单频光纤激光功率提升的主要因素。增大模场面积是抑制SBS的有效方法，此外施加应变或增大温度梯度、使用热声子裁剪技术、引入激光增益竞争、缩短光纤长度、反向泵浦等也可以缓解SBS。减轻TMI效应，可通过降低光纤芯包比提高模式不稳定阈值、抑制光纤光暗化效应、增加高阶模的损耗、优化泵浦方式等方法来实现。要获得高输出功率、稳定单频光纤激光，必须同时抑制SBS和TMI效应。但实际上，在窄线宽单频光纤激光放大系统中，抑制SBS和TMI比在传统高功率激光放大系统中更具挑战性。如在输出功率大于400 W的单频光纤激光放大系统中，采用热梯度或应变梯度等方法可能会增加系统的复杂性和牺牲系统的稳定性。以前通常采用传统大模场光纤来抑制SBS，为确保单模运行，则纤芯直径必须限制在25μm以内。因此，在抑制SBS的前提下，单频激光输出通常被限制在100 W以下［92］。考虑到这一点，采用锥形光纤、手性光纤、光子晶体光纤（PCF）等新型复合光纤，成为抑制和平衡单频光纤激光中以上两种有害影响的较好方案。(www.xing528.com)

采用手性光纤增加高阶模损耗，可保证纤芯中基模近乎无损耗地传输，在不依靠任何模式控制技术的情况下便可同时实现大模场面积和单模传输。2011年，美国密歇根大学Zhu等基于掺镱手性耦合芯空气包层光纤，实现了无SBS的单频、稳定线性偏振激光放大，输出功率511W，光束的M2为1.19±0.06［93］。值得注意的是，输出光束并没有随功率放大器输入偏差而变化，表明单模性能是光纤固有的，而不是单模激励的结果。这对于数千瓦级的相干阵列集成具有重要意义。

具有大模场面积的PCF，能够有效抑制光纤的非线性效应，结合无截止单模特性能够大幅度提高单模激光的输出功率，2014年，Robin等利用声子和增益可调的7芯掺镱保偏光子晶体光纤，通过热梯度调控与横向声子裁剪，抑制SBS和模式不稳定性，获得了811 W的单频激光输出，光束质量接近衍射极限［94］。这是目前为止单频光纤激光获得的最高输出功率。但该系统是用空间光学元件+光纤的方法搭建的，并非全光纤系统。事实上，全光纤结构单频光纤放大器由于其结构紧凑、可靠性高在许多应用中成为优选或者首选。2020年，Lai等报道了一种基于保偏锥形掺镱光纤（tapered Yb－doped fiber，T－YDF）的高功率单频1030 nm光纤激光器，其输出功率达到550 W、M2为1.47、斜率效率80%［95］。这是目前全光纤单频光纤激光最高输出功率。