窄线宽高功率光纤激光器在相干合成及光谱合成等**与工业领域有着广泛的应用。最近, 中国工程物理研究院应用电子学研究所基于25/400 μm光纤, 采用双端抽运及高功率种子注入等手段控制放大过程中的模式不稳定(MI)效应, 利用基于白噪声源的相位调制技术有效抑制受激布里渊散射和受激拉曼散射, 成功实现了3.5 kW窄线宽光纤激光的放大输出, 实验装置如图1(a)所示。如图1(b)所示, 当主放抽运功率达到3450 W时, 激光器的输出功率为3045 W, 此时回光反射率约为0.01%, 光-光转换效率为77.5%, 未观测到MI效应, 光束质量M2≈1.5。光谱半峰全宽(FWHM)为0.18 nm, 二阶矩线宽均方根(RMS)为0.17 nm。激光输出信噪比大于47 dB, 如图2(a)、(b)所示。激光器在3 kW输出功率下, 连续工作达15 min, 如图2(c)所示, 功率波动峰谷值为1.6%。将种子源线宽继续展宽到0.38 nm, 得到激光器输出的最高功率为3525 W, 光-光转换效率下降至71.5%, M2下降至1.9, 且观测到明显的MI效应。进一步优化放大器结构以提升MI阈值将是后续亟需开展的工作。

理论和实验研究了一种基于双多层电介质膜(MLD)光栅色散补偿构型设计的光谱合成激光器，该激光器既实现了多路光纤激光高光束质量共孔径光谱合成输出，也降低了单路光纤激光的线宽要求。优化了该激光器的光束质量退化分析模型，分析了激光波长、光栅色散和光谱结构对光谱合成输出光束质量的影响，实验研究了不同功率水平下的光谱合成输出光束质量变化特性，获得了最大输出功率为9.6 kW的高光束质量共孔径合成输出，光束质量M2为2.9，合成效率达到92.0%。通过进一步压缩每路光纤激光的线宽并提升其功率或增加合成路数，可以获得更高功率和更高光束质量水平的共孔径激光输出。

基于掺镱光纤激光放大器理论模型，分析了掺镱光纤激光放大器中心波长和增益光纤长度等因素对放大发光辐射（ASE）的影响。根据计算结果，优化了1030 nm窄线宽光纤激光放大器设计参数。采用主振荡功率放大结构，搭建了基于窄带种子源一级放大器的实验装置,使用25 μm/400 μm（纤芯直径/包层直径）掺镱光纤实现了中心波长1030 nm、3 dB线宽0.072 nm、最高功率1.01 kW的连续激光输出，光光转换效率为81%，1030 nm激光功率占比大于99%。由理论计算和实验结果可知，经过合理的优化设计，采用商用光纤可实现窄线宽1030 nm光纤激光器高功率、高效率、高信噪比输出。

分析了高功率光纤激光器中受激布里渊散射(SBS)效应的抑制方法.研究表明,利用宽带噪声源高速相位调制展宽光谱的方法对于抑制SBS十分有效,可实现kW级用于光谱组束的数10 GHz高功率光纤激光子束.通过理论计算线宽与SBS阈值的关系,并分析噪声相位调制各参数对SBS阈值提升的影响,优化了光纤激光器设计参数.通过宽带噪声高速相位调制的方法,展宽单频种子源线宽至13 GHz,通过两级预放大至10 W后,使用20/400 μm掺Yb光纤最终实现了中心波长1064 nm、线宽13 GHz、最高功率1.06 kW的激光输出,光束质量M2＜1.2,光-光转换效率86%,实验过程未观测到模式不稳定性现象.进一步扩宽噪声源频带,加大调制深度,有望实现更高功率的窄线宽光纤激光输出.

采用多层介质膜衍射光栅实现多路高功率光纤激光共孔径光谱合成有望成为光纤激光同时实现高功率、高效率和高光束质量的最具发展潜力的技术途径。搭建了一套基于双光栅色散补偿设计的5 kW共孔径光谱合成系统。采用国产多层介质膜衍射光栅实现了5路kW级窄谱子束激光的高效优质共孔径光谱合成,最大输出功率达5.07 kW,光束质量因子(M2)小于3,合成效率达到91.2%。初步研究表明: 多层介质膜衍射光栅在较高功率水平、较宽光谱范围内均能保持较高衍射效率,是实现高功率光纤激光高效率光谱合成的重要器件; 参与合成的子束自身的光束质量水平和线宽是影响合成输出光束质量的重要因素,光谱合成系统的输出功率主要受限于窄谱子束的输出功率和合成路数,增加窄谱子束的功率或合成路数均可进一步提升系统的输出功率。