作者單位
● 楊保來，楊 歡，葉 云，奚小明，張漢偉，黃良金，王 鵬，史 塵， 王小林，閆志平，潘志勇，王澤鋒，周 樸，許曉軍，陳金寶
● 國防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院，脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，高能激光技術(shù)湖南省重點實驗室
研究背景 ·
高功率高光束質(zhì)量光纖激光器在工業(yè)加工和軍事國防等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著光纖激光器輸出功率的提升，激光器中的模式不穩(wěn)定效應(yīng)（TMI）和非線性效應(yīng)（NLE）成為主要的限制因素，其中，對于寬譜激光，非線性效應(yīng)中的受激拉曼散射效應(yīng)（SRS）最為顯著。
為實現(xiàn)非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定效應(yīng)同時有效抑制，新型結(jié)構(gòu)大模場增益光纖成為重要的研究課題。錐形光纖具有沿光纖縱向緩慢變化的模場面積，能夠在保持較好的模式特性的同時，有效提升光纖的非線性效應(yīng)閾值，具有應(yīng)用于高功率光纖激光的較大潛力。“紡錘形”漸變錐形光纖，能夠較好的匹配合束器、光纖光柵等無源器件，且不顯著降低光纖的TMI閾值，通過合理設(shè)計激光器結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量激光輸出。
圖文速覽 ·
課題組采用單位自研的紡錘形漸變摻鐿光纖結(jié)合981 nm波長泵浦源雙向泵浦方案，實現(xiàn)了功率大于6 kW的高光束質(zhì)量（M2<2）寬譜激光輸出。激光器的原理結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，采用主振蕩功率放大（MOPA）結(jié)構(gòu)，種子激光為單級諧振腔光纖激光器，種子功率約為100 W，放大級采用雙端泵浦結(jié)構(gòu)，利用(6+1)×1泵浦/信號合束器將多組半導(dǎo)體泵浦源（LDs）耦合注入雙包層摻鐿光纖，該摻鐿光纖纖芯和內(nèi)包層為紡錘形漸變結(jié)構(gòu)，輸入/輸出端纖芯/內(nèi)包層直徑為25/400 μm，光纖中部區(qū)域纖芯/內(nèi)包層直徑為37.5/600 μm，纖芯數(shù)值孔徑為0.06，紡錘形漸變摻鐿光纖總長度為30 m，光纖在981 nm泵浦的吸收系數(shù)約為0.8 dB/m，前向/后向泵浦光都能夠被充分吸收。
圖1 雙向泵浦紡錘形摻鐿光纖激光器實驗結(jié)構(gòu)圖
隨泵浦功率增加，激光器的輸出功率和效率曲線如圖2（a）所示，在前向和后向泵浦功率分別為2.42 kW和5.26 kW時，激光器輸出功率達(dá)到最大6.02 kW，斜.率效率約為78.3%。
圖2（a） 不同泵浦功率時輸出功率和效率
不同輸出功率時的輸出激光光譜如圖2（b）所示，激光中心波長為1080 nm，功率提升過程中出現(xiàn)明顯的光譜展寬現(xiàn)象，在最高功率時輸出激光光譜3 dB帶寬為4.76 nm。
圖2(b) 種子光和放大器輸出激光光譜
使用光束測量設(shè)備（BeamSquared）測試最高輸出功率時的光束質(zhì)量，結(jié)果如圖2（c）所示，x和y方向的M2因子分別為1.87和1.85，束腰位置光斑形態(tài)如圖2（c）中插圖所示。
圖2(c) 最高功率時輸出激光光束質(zhì)量
實驗中監(jiān)測輸出激光的時域信號，并未發(fā)現(xiàn)模式不穩(wěn)定效應(yīng)對應(yīng)的典型時域信號特征。由于紡錘形漸變摻鐿光纖存在一定的制作難度，與常規(guī)摻鐿光纖產(chǎn)品相比一致性相對較差，且與無源器件之間存在一定的匹配性差異，導(dǎo)致放大級輸出激光光束質(zhì)量存在一定的退化。
未來展望 ·
通過進(jìn)一步改進(jìn)光纖制作工藝、優(yōu)化光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)和匹配無源器件等方式，有望實現(xiàn)更高功率、更好的光束質(zhì)量激光輸出。該研究成果擬發(fā)表在《強激光與粒子束》2022年第8期，doi: 10.11884/HPLPB202234.220222。
致謝 ·
感謝國家自然科學(xué)基金項目(61905282, 62005315)對本課題的支持！
作者簡介 ·
● 第一作者： 楊保來，從高功率光纖激光器研究；yangbaolai1989@163.com。 ● 通信作者： 張漢偉，從高功率光纖激光技術(shù)研究；zhanghanwei100@163.com； 潘志勇，從特種光纖技術(shù)研究；panzy168@163.com。
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