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
● 國防科技大學前沿交叉學科學院，脈沖功率激光技術國家重點實驗室，高能激光技術湖南省重點實驗室
研究背景 ·
高功率高光束質量光纖激光器在工業加工和軍事國防等領域有著廣泛的應用。隨著光纖激光器輸出功率的提升，激光器中的模式不穩定效應（TMI）和非線性效應（NLE）成為主要的限制因素，其中，對于寬譜激光，非線性效應中的受激拉曼散射效應（SRS）最為顯著。
為實現非線性效應和模式不穩定效應同時有效抑制，新型結構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閾值，具有應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，通過合理設計激光器結構，可實現高功率高光束質量激光輸出。
圖文速覽 ·
課題組采用單位自研的紡錘形漸變摻鐿光纖結合981 nm波長泵浦源雙向泵浦方案，實現了功率大于6 kW的高光束質量（M2<2）寬譜激光輸出。激光器的原理結構示意圖如圖1所示，采用主振蕩功率放大（MOPA）結構，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構，利用(6+1)×1泵浦/信號合束器將多組半導體泵浦源（LDs）耦合注入雙包層摻鐿光纖，該摻鐿光纖纖芯和內包層為紡錘形漸變結構，輸入/輸出端纖芯/內包層直徑為25/400 μm，光纖中部區域纖芯/內包層直徑為37.5/600 μm，纖芯數值孔徑為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構圖
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明顯的光譜展寬現象，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
使用光束測量設備（BeamSquared）測試最高輸出功率時的光束質量，結果如圖2（c）所示，x和y方向的M2因子分別為1.87和1.85，束腰位置光斑形態如圖2（c）中插圖所示。
圖2(c) 最高功率時輸出激光光束質量
實驗中監測輸出激光的時域信號，并未發現模式不穩定效應對應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，與常規摻鐿光纖產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，導致放大級輸出激光光束質量存在一定的退化。
未來展望 ·
通過進一步改進光纖制作工藝、優化光纖結構參數和匹配無源器件等方式，有望實現更高功率、更好的光束質量激光輸出。該研究成果擬發表在《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研究；zhanghanwei100@163.com； 潘志勇，從特種光纖技術研究；panzy168@163.com。
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