高功率双向输出光纤激光振荡器中复合腔反射率对横模不稳定性的影响研究

《Optics & Laser Technology》：Investigation of composite cavity reflectivity on the transverse mode instability in high-power bidirectional output fiber laser oscillators

　　李凯 | 叶云 | 李静宇 | 李欣然 | 吴汉硕 | 王鹏 | 西晓明 | 苏荣涛 | 张汉伟 | 王晓林
中国国防科技大学高级跨学科研究学院，长沙410073

**摘要**
横向模式不稳定性（TMI）是由非线性热光耦合引起的，它对传统单谐振腔光纤振荡器的功率扩展构成了重大障碍。本文提出了一种基于复合腔体的1050纳米双向输出光纤激光振荡器，该复合腔体通过在谐振器内部集成光纤布拉格光栅（FBG）来实现。通过理论模拟和实验对比，我们研究了复合腔体FBG反射率对TMI行为的影响，并与传统单腔结构进行了对比实验。实验结果表明，复合腔体双向输出光纤激光器存在一个最佳的FBG反射率窗口。与单腔配置相比，优化后的复合腔体结构在不同泵浦方案下显著提高了TMI阈值，最大增幅达到30.9%，并且即使在5.3千瓦的输出功率水平下也能保持优异的光束质量（M2 < 1.5）。这些发现为理解热诱导模式不稳定性的机制开辟了新视野，并为抑制高功率双向输出光纤激光器中的TMI效应提供了一种有前景的方法。

**引言**
高功率光纤激光器在现代激光技术中代表着一个重要的前沿，因为它们具有显著的优势，包括高转换效率、优异的光束质量、优越的热管理性能以及紧凑的结构设计[1]、[2]。它们已广泛应用于工业精密加工、先进医疗程序、光纤传感和国防技术领域，展示出了巨大的发展潜力[3]、[4]、[5]。随着高亮度激光二极管（LD）和大模场面积（LMA）光纤技术的快速发展，传统波长（1060–1080纳米）区域的光纤激光器的输出功率已经达到数十千瓦的水平[6]。然而，工作在1060纳米以下波长的光纤激光器由于吸收截面的增加和再吸收效应而受到放大自发辐射（ASE）的严重限制[7]、[8]，这阻碍了短波长光纤激光器功率扩展的进展。
为了满足对短波长掺镱光纤激光器源的高需求，研究人员付出了巨大努力以实现远离传统波长的激光输出。早在2016年，空军研究实验室的研究人员就通过3.5 GHz的时钟速率，利用伪随机比特序列调制报告了一种千瓦级的1034纳米光纤放大器[9]。2020年，李等人提出了一种全光纤可调窄带掺镱超荧光光纤源，在1045纳米波长下实现了约962瓦的输出功率[10]。2021年，郑等人引入了一种新的泵浦共享振荡器-放大器配置，在1050纳米波长下实现了接近单模式的3.1千瓦输出功率[11]。2023年，孟等人利用反向泵浦的光纤放大器架构，在1050纳米波长下实现了4.8千瓦的输出功率[12]。随后，同一团队通过使用新设计的非对称双锥形掺镱光纤（YDF），在1050纳米波长下实现了5千瓦的功率水平，斜率效率达到83.1%[13]。2024年，马等人构建了一种1050纳米窄线宽光纤放大器，使用了一种简化的双锥形YDF，实现了4.96千瓦的输出激光功率[14]。值得注意的是，这些报道的短波长光纤激光器都采用单向输出方案，这意味着激光功率从一个端口输出，高功率密度不利于抑制非线性效应和横向模式不稳定性[15]、[16]。
为了降低腔体内的功率密度，同时减少组件数量和系统复杂性，研究人员提出并展示了一种高功率双向输出线性腔光纤激光器配置。该配置用低反射率FBG（LR-FBG）替换了高反射率光纤布拉格光栅（HR-FBG）作为谐振器镜面，从而实现双向输出。与传统单向输出光纤激光器相比，双向输出光纤激光器在功率分配平衡、提高非线性阈值以及降低成本、体积和重量方面具有显著优势[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。2025年，我们团队首次使用传统的20/400微米YDF和相应的低反射率FBG，实现了一种1050纳米双向输出光纤振荡器激光器，总激光功率达到4470瓦，光学转换效率为84.9%[22]。为了进一步抑制非线性效应并获得更高的输出功率，提出了并开发了一种采用新型复合腔体架构的短波长双向输出光纤激光器，该架构通过在腔体内插入额外的FBG来实现。初步实验结果表明，在不同泵浦方案下，插入反射率为50%的FBG可以有效提高TMI阈值[23]。然而，复合腔体架构与热诱导模式不稳定性之间的关联和物理机制仍不清楚，目前缺乏对不同反射率复合腔体FBG的TMI行为的系统研究，这对高功率光纤激光器领域具有重要意义。
在这项研究中，我们构建了具有不同FBG反射率（如5%、30%、50%、99.5%）的1050纳米复合腔双向输出光纤激光器，并系统研究了带有内腔FBG的复合腔设计的输出性能。在受控条件下，仔细研究了复合腔FBG反射率对TMI阈值的影响，并与传统的单腔结构进行了比较。结果表明，复合腔设计在克服功率扩展限制和抑制双向输出光纤激光器中的TMI方面表现更优。具体来说，即使在多千瓦输出功率水平下，复合腔双向输出光纤激光器的TMI阈值也有显著提高，最大增幅达30.9%。

**部分内容**
**理论分析和数值模拟**
为了理论探索复合腔双向输出光纤激光器的输出性能，建立并描述了具有复合腔体结构的双向输出光纤振荡器的简化模型，如图1所示。最左端定义为位置z=0的A端，最右端定义为位置z=L的B端。中间光栅的位置表示为z=L1。从左向右传播的泵浦光和信号光分别记为……

**实验实现**
我们采用了图4中的实验配置，对双向输出复合腔结构和单腔结构之间的激光输出特性和TMI进行了对比分析。单腔结构由一段12米长的YDF组成，纤芯/包层直径为20/400微米，以及两个具有10%标称反射率和约2纳米3dB带宽的低反射率FBG，从而实现在A端和B端的双向激光输出。六组976纳米LDTMI特性的单腔双向输出光纤激光器……

**单腔双向输出光纤激光器的特性**
为了更好地研究复合腔的特性，我们补充分析了单腔双向输出光纤激光器的输出性能。在单腔结构中，图5(a)显示了在单向泵浦方案下，输出功率和光学转换效率随泵浦功率的变化情况。在B端泵浦总功率为2852瓦的情况下，激光器实现了2443瓦的输出功率，光学转换效率为……

**结论**
我们通过综合理论模拟和系统的实验验证，全面研究了复合腔架构中双向输出的工作机制。探讨了复合腔FBG反射率对不同泵浦方案下TMI阈值的影响。我们的结果表明，复合腔双向输出光纤激光器的FBG反射率有一个最佳范围。随着内腔FBG反射率的增加……

**作者贡献声明**
李凯：撰写——原始草案。叶云：撰写——原始草案。李静宇：撰写——原始草案。李欣然：撰写——原始草案。吴汉硕：撰写——原始草案。王鹏：撰写——原始草案。西晓明：撰写——原始草案。苏荣涛：撰写——原始草案。张汉伟：撰写——原始草案。王晓林：撰写——原始草案。

**资助**
本工作得到了国家自然科学基金（62505369）和国家国防科技大学创新研究基金（ZK25-38）的支持。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。