【资讯】国防科技大学周朴研究员团队：学科发展视角下的单频光纤激光技术

单频光纤激光具有线宽窄、噪声低和相干性好等优势，广泛应用于引力波探测、激光雷达、量子探测、相干通信和光纤传感等前沿领域。近年来，随着高精度探测和远距离传输需求不断提升，对单频光纤激光的线宽、噪声、波长和功率等关键性能指标提出了更高的要求。然而，线宽压缩受到腔长扰动及腔内光子寿命等因素制约，波长拓展面临增益受限和非线性效应增强等问题，功率提升则容易引发严重的受激布里渊散射（SBS）和模式不稳定（TMI）效应。同时，不同性能提升过程还普遍伴随着噪声劣化问题。针对上述瓶颈，研究人员提出了一系列技术手段，推动单频光纤激光性能持续向极端化方向发展。

为更好把握单频激光技术的发展趋势，国防科技大学周朴研究员、李灿副研究员所在团队从学科发展和文献计量的视角，对其演进脉络进行了梳理和分析。进一步聚焦单频光纤激光技术领域，围绕线宽压缩、波长拓展、功率增长和噪声抑制等重点研究方向，综述了近五年来的代表性研究进展，并分析讨论了当前面临的主要技术瓶颈与挑战，以期为未来单频光纤激光技术的发展和应用提供参考。

2.1 单频激光技术发展历程

对单频激光技术领域进行文献计量，根据相关的发文量与引用量信息，可将其发展历程划分为如图1所示的三个阶段：技术积累阶段（2000~2010年）、快速发展阶段（2011~2019年）和性能突破阶段（2020~至今）。其中，技术积累阶段发文量快速增长，该阶段研究聚焦于解决模式竞争、频率选择和功率提升等涉及的基础科学和技术问题；快速发展阶段发文量趋于稳定，不同增益介质类型的单频激光性能均得到稳步提升，且各技术路线之间的交叉融合日益明显；进入性能突破阶段，论文发文量再度攀升，单频激光在输出线宽、功率、波长和噪声等关键性能指标方面不断逼近理论极限。

图1 Web of Science核心合集数据库中单频激光相关的发文量和引用量统计

2.2 单频光纤激光技术发展分析

单频光纤激光器由于可采用全光纤结构，具有系统简单紧凑、转换效率高、抗干扰能力强、光束质量好、散热性能好以及维护成本低等优点，是实现高性能高功率单频激光极具竞争力的技术方案。为进一步探索单频光纤激光技术的研究热点和发展趋势，对该领域文献进行主题词共现分析，结果如图2所示。总体来看，单频光纤激光技术的主要研究热点紧密围绕线宽、波长、功率和噪声等性能的提升及相关应用展开。因此，本文进一步聚焦单频光纤激光，系统总结该领域近五年的新方法和新指标，分析当前面临的技术挑战及未来发展趋势。

图2 2000~2025年单频光纤激光技术领域主题词共现聚类图

3.1 线宽压缩

随着高精度测量技术的持续发展，对单频激光的线宽与频率稳定性提出了苛刻的要求。当前，单频激光线宽压缩主要依靠基于高Q值外腔反馈的自注入锁定技术，以及基于受激布里渊散射和瑞利散射等非线性效应实现。例如，南京大学采用两个光纤耦合器构建“R”型环形腔进行自注入锁定，获得了线宽为0.92 Hz的单频激光输出。英国南安普顿大学在反谐振空芯光纤上镀制高反射镜构成FP腔，通过自注入锁定将单频激光的频率噪声抑制了5个数量级、线宽压缩至0.2 Hz。重庆大学利用高数值孔径光纤中的瑞利散射作用，将激光线宽从3.36 kHz压缩至232 Hz。江苏师范大学则基于受激布里渊散射效应，将激光线宽压缩至23 Hz。为进一步突破单一技术路线的性能极限，研究人员还探索了多种线宽压缩机制的协同方案。例如，苏州大学将受激布里渊散射与移频自注入锁定相结合，实现了激光频率噪声抑制60 dB、线宽达63 mHz的单频激光输出。

3.2 波长拓展

为匹配原子跃迁、人眼安全及分子指纹识别等关键应用需求，单频光纤激光的输出波长已实现从近红外向可见光和中红外波段的显著拓展。在可见光波段，法国雷恩大学利用光纤布里渊腔直接产生输出功率30 mW、线宽6 Hz的532 nm单频激光；近红外波段方面，美国亚利桑那大学、国防科技大学、上海光机所、江苏师范大学分别基于掺钕、掺镱、掺铋、掺铥光纤实现871 nm、1178 nm、1140 nm和2112 nm的特殊波长单频激光输出；中红外波段进展尤为突出，加拿大拉瓦尔大学、澳大利亚悉尼大学、天津大学、浙江大学、电子科技大学等团队利用氟化物光纤，将单频激光波长拓展到3.7 μm、波长调谐范围达到344 nm、输出功率从mW提升至百mW量级、工作机制从连续扩展到脉冲运转。此外，在波长调谐与切换能力方面，华南理工大学提出基于自适应动态光栅的全光重构技术，实现1512.84~1612.96 nm（覆盖S+C+L波段）的宽调谐单频光纤激光输出；北京交通大学则采用飞秒激光直写技术制备波长可切换滤波器，在掺铒光纤环形腔中实现了1530/1550 nm附近最多8个波长可切换单频激光输出。上述进展为未来高速相干通信与高精度传感系统提供了核心光源支撑。

3.3 功率提升

高功率单频光纤激光是支撑引力波探测、激光雷达、相干合成及空间通信等重大应用的核心光源。基于高增益有源光纤的短线型腔、基于常规有源增益光纤结合选频滤波单元的环形腔、以及基于布里渊增益或者布里渊/有源混合增益的环形腔，均可实现W级单频光纤激光振荡输出，三种技术路线的典型结果如图3所示。从谐振腔输出功率的演化趋势可以看出，2020年之前，其输出功率在1 W量级上下波动。2020年起，在引力波探测等领域对高功率单频光纤激光光源需求持续增长的推动下，得益于谐振腔结构设计的不断优化，谐振腔输出功率呈现显著增长态势。其中，天津大学基于环形腔结构，利用未泵浦增益光纤中的动态光栅滤波效应，实现了2.56 W单频激光输出；国防科技大学采用大模场光纤构建布里渊单频光纤激光器，先后实现了4.9 W和23 W的单频激光输出。

图3 高功率单频光纤激光器典型结果

尽管基于单一谐振腔能够直接产生数十W量级的单频激光，为满足地基引力波探测、激光雷达以及高能激光系统研制等高功率应用场景的需求，仍需进一步提升单频激光的输出功率。然而，随着光纤链路长度增加和激光功率提高，单频激光窄线宽特性引发的SBS效应愈发显著，严重制约了系统性能。为抑制SBS效应，研究人员提出了多种方法，包括降低单位模场面积内的激光强度，如采用大模场面积有源光纤、基于多模光纤进行波前整形等；以及展宽光纤内SBS增益谱，如对增益光纤的基质材料进行设计、对光纤施加纵向应力梯度或者温度梯度等。基于上述方法，单频光纤激光放大器输出功率得到持续提升，相关进展总结如图4所示。然而，随着模场面积增大和输出功率增加，系统进一步受到TMI效应限制。针对这一问题，国防科技大学提出“蝙蝠型”折射率分布光纤设计，通过横向折射率分布精确调控抑制TMI效应，实现了全光纤单频1010 W@1030 nm功率输出。在窄线宽、低噪声单频光纤激光放大方面，华南理工大学采用商用大模场掺镱光纤，实现功率715 W、线宽400 Hz的单频激光放大输出；法国波尔多大学采用光电反馈控制方案，将365 W单频激光在2~10 kHz频段内的相对强度噪声抑制至-160 dBc/Hz，接近量子噪声极限；山西大学通过研制超低噪声光电探测器和高增益反馈控制系统，将2 W单频激光放大器在0.1 mHz~1 Hz极低频段内的相对强度噪声抑制至-84 dBc/Hz。

图4 基于全光纤结构的高功率单频激光放大器典型结果

尽管取得上述进展，单频光纤激光技术的发展仍然面临一系列挑战：线宽压缩的物理极限尚未明确，其与噪声之间的耦合机制仍需深入探索；波长拓展至特殊波段时，往往伴随增益显著下降与非线性效应增强的矛盾；功率提升过程中，热效应和各类非线性效应仍是制约功率、线宽和噪声水平的主要因素。未来研究需聚焦于新型单频激光实现机制、新型光纤增益材料、新型光纤增益结构以及新型噪声抑制技术，发展线宽、波长、功率、噪声等多性能协同调控方法，从而推动单频光纤激光技术在引力波探测、空间通信、量子科技等国家重大需求与前沿科学领域实现更深入、更广泛的应用。

参考文献： 中国光学期刊网

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