高功率光纤激光器是科学、工业和国防领域的重要工具。进一步扩展单频光纤激光放大器功率的主要障碍是受激布里渊散射（SBS）。当光功率超过SBS阈值时，前向传输的信号光会激发出强烈的后向斯托克斯光，不仅会耗尽泵浦光能量、减小输出效率，还可能损坏前端精密器件。增大纤芯直径、展宽信号光谱，均可以增加SBS阈值，抑制单频光纤放大器中的SBS效应。当前缓解SBS的工作大多局限于光束质量良好的单模或少模光纤放大器，难以同时实现高功率、窄线宽、高质量的光束输出。本文探索了一种多模光纤（MMF）放大器，其SBS因大纤芯中光强降低和多模激发导致的布里渊散射谱展宽而被大幅抑制。通过对非线性放大器的输入光施加空间波前整形技术，输出光束聚焦至衍射极限光斑，实现了高功率（503 W）、窄线宽（1 kHz）、高质量的光束输出[1]。

图1 实验光路示意图[1]

图1 是本研究的光路示意图。波长1064 nm的种子光经过单模光纤预放大、扩束后，由空间光调制器（Spatial light modulator, SLM）调制其波前相位。调制后的信号光首先耦合进一条无源多模光纤，与泵浦光合束后，输入支持76个模式的掺Yb多模增益光纤中放大。信号光输出后，进入测量光路，测量功率、光谱、线宽、焦斑、相位等参数。本文研究了多模光纤中的SBS特性，结果表明，MMF的SBS阈值（不产生SBS的最大功率）显著大于单模光纤。模拟结果显示，本文使用的MMF（纤芯直径42 μm）仅激发基模的情况下，SBS阈值约为24 W，比15 μm直径的单模光纤高8倍。由于光纤中不可避免的模式耦合，MMF无法实现仅基模激发，实测MMF少模激发情况下SBS阈值为59 W，多模激发情况下SBS阈值达到97 W，如图2（A）所示。

图2 （A）单模、多模光纤中的SBS阈值；（B）MMF中基模和多模激发对应的SBS增益谱 [1]

本文建立了MMF放大器中SBS的半解析理论，分析不同模式信号光与斯托克斯光的耦合情况，推导相应的SBS增益系数。该理论指出，MMF多模激发情况下SBS增益系数低于任意单模激发情况，MMF的多模激发显著展宽了SBS增益谱，降低了增益峰值，实现提高SBS阈值的效果，如图2（B）所示。由于斯托克斯光后向传播的性质，MMF越长，SBS增益越大，对应的阈值越低。实验表明，泵浦光约在6 m内耗尽，缩短光纤长度，测量SBS阈值，结果表明SBS阈值与MMF有效长度成反比。在MMF长度3.7米时，放大器达到最大SBS阈值（即最高输出功率）503 W，是仅基模激发SBS阈值（理论计算结果）的五倍。

图3 MMF有效长度与SBS阈值的关系；小图：输出焦斑强度与相位[1]

为调控MMF输出，本文在信号光输入MMF前，用空间光调制器（SLM）调制波前相位，调制范围覆盖了MMF的输入孔径。本文将调制范围内的像素点分割为256个宏像素，从中心像素开始螺旋状依次扫描每个像素的相位，实现焦平面上的最佳输出。在波前相位调控的作用下，MMF内不同模式之间发生干涉，在输出焦平面上形成高质量光斑，光斑强度、相位分布如图3右上小图所示，可见强度、相位分布均匀，焦平面光斑质量良好。图4 MMF焦平面上（A）和轻微离焦（B、C）位置的光斑；输出光束质量（M2）测量结果（D）[1]

图4展示了焦平面上和轻微离焦（200、400 μm）位置的光斑形貌，经测量，焦平面上的聚焦效率为76%，即76%的光束能量位于焦点范围内。测量得到x、y方向的光束质量因子M2分别为1.05和1.35，光束质量良好。结果表明，基于SLM的相位调控有效改善了MMF输出焦平面上的光斑质量。

图5 MMF放大器斜效率（A）、输出光谱（B）和线宽（C）[1]

本文还测量了放大器输出效率、光谱与线宽。该MMF放大器斜效率达到82%，如图5（A）所示，与理论预测相符。输出光谱如图5（B）所示，可观察到1064 nm处的信号光峰值，相对ASE强度达到52 dB，光谱左侧峰值为微弱的剩余泵浦。由于输出线宽极窄，常规光谱仪难以测量，本文利用外差法测量输入、输出线宽。本文搭建的MMF放大器输出线宽35 kHz（20-dB）/1kHz（3-dB，即半高全宽），与输入线宽无明显差别，时间相干性极佳，能够满足精密干涉测量的要求。本文系统阐述了考虑泵浦耗尽、增益饱和的多模光纤SBS理论，提出结合多模光纤放大与波前相位调制技术，同时实现SBS抑制与输出光斑优化。本文搭建的MMF放大器可在高功率、高效率和窄线宽下运行，从而确保高相干性，该技术在相干光束合成、大规模干涉测量和定向能等领域具有潜在应用价值。

参考文献：[1] Stefan Rothe et al., Wavefront shaping enables high-power multimode fiber amplifier with output focus. Science 390,173-177(2025).

       原文标题 : 超快光纤激光技术之五十二 波前整形实现高功率多模光纤放大器输出控制