摻鐿光纖激光器具有結(jié)構(gòu)緊湊、電光效率高、熱管理方便等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造、材料處理等領(lǐng)域。使用1018 nm光纖激光對(duì)摻鐿光纖(Yb-doped fiber, YDF)進(jìn)行級(jí)聯(lián)泵浦是目前獲得萬(wàn)瓦級(jí)高光束質(zhì)量光纖激光的主要技術(shù)方案之一。利用該方案，美國(guó)IPG Photonics公司于2009年研制出10 kW單模摻鐿光纖激光器。根據(jù)公開發(fā)表的文獻(xiàn)，迄今尚還未有第二家單位實(shí)現(xiàn)10 kW級(jí)M²<2的高光束質(zhì)量光纖激光。如何在常規(guī)雙包層YDF中實(shí)現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的激光輸出具有較大技術(shù)挑戰(zhàn)，也是高功率光纖學(xué)科方向的研究熱點(diǎn)。

近期，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2022YFB3606000）支持下，國(guó)防科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)突破高模式不穩(wěn)定閾值大模場(chǎng)雙包層YDF制備技術(shù)，綜合采用后向泵浦、種子激光拉曼濾波、增益光纖彎曲直徑優(yōu)化、輸出傳能光纖長(zhǎng)度優(yōu)化等方式，有效提升了級(jí)聯(lián)泵浦光纖激光器的模式不穩(wěn)定效應(yīng)閾值和非線性效應(yīng)閾值，實(shí)現(xiàn)了輸出功率10 kW，光束質(zhì)量因子M²=1.92光纖激光輸出。

相關(guān)成果發(fā)表在High Power Laser Science and Engineering（Ruixian Li, Hanshuo Wu, Hu Xiao, Zilun Chen, Jinyong Leng, Liangjin Huang, Zhiyong Pan, and Pu Zhou. The design and optimization methods towards 10 kW high beam quality fiber laser based on counter tandem pumping scheme [J]. High Power Laser Science and Engineering, DOI:https://doi.org/10.1017/hpl.2024.21）

激光器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，1080 nm種子激光經(jīng)傾斜光柵(Chirped and tilted fiber Bragg grating, CTFBG)、模式適配器(Mode field adaptor, MFA)和包層光濾除器(Cladding light Stripper, CLS 1)后進(jìn)入YDF。YDF纖芯直徑和數(shù)值孔徑分別為30 μm和0.06，內(nèi)包層直徑和數(shù)值孔徑分別為250 μm和0.46，泵浦光吸收系數(shù)約為0.4 dB/m@1018nm，YDF長(zhǎng)度約38 m。1018 nm泵浦激光通過(6+1)×1后向泵浦信號(hào)合束器(Backward pump and signal combiner, BPSC)注入YDF。放大后的信號(hào)光經(jīng)包層光濾除器(CLS 2)和端帽(Quartz block holder, QBH)輸出。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器特性，輸出激光經(jīng)準(zhǔn)直器(Collimator, CO)后由反射率大于99.99%的高反鏡(Highly reflective mirror, HRM)進(jìn)行分束。微弱的透射光進(jìn)入光束質(zhì)量?jī)x(Laser quality monitor , LQM)，反射的高功率激光經(jīng)進(jìn)入功率計(jì)，散射光進(jìn)入光譜儀(Optical spectrum analyzer, OSA)和光電探測(cè)器(Photodetector, PD)。

本工作在前期研究（Optics Express 31, 24423-24436 (2023)）的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了光纖的盤繞方式，通過調(diào)控模間競(jìng)爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高階模功率放大的有效抑制，有效提升了模式不穩(wěn)定閾值，保證了功率提升全過程中的高光束質(zhì)量。此外，針對(duì)輸出尾纖(圖1中A至B點(diǎn))中的激光功率密度極高的情況，當(dāng)激光器輸出尾纖為1.5 m時(shí)，輸出功率為10.03 kW，光譜中仍未出現(xiàn)明顯的拉曼特征峰，實(shí)現(xiàn)了受激拉曼效應(yīng)的有效抑制。

圖2(a)所示為10 kW級(jí)激光器的功率曲線，最大輸出激光功率達(dá)到10.03 kW，激光器光光轉(zhuǎn)換效率為79.6%。圖2(b)所示為激光器的功率穩(wěn)定性測(cè)試結(jié)果，200秒測(cè)試時(shí)間內(nèi)，滿功率運(yùn)行的激光器功率波動(dòng)為~0.7%，表明激光器具有良好的功率穩(wěn)定性。圖2(c)所示為不同功率下的光束質(zhì)量，最高功率10.03 kW時(shí)M²=1.92。圖2(d) 所示的激光器時(shí)序及頻譜表明系統(tǒng)未出現(xiàn)模式不穩(wěn)定現(xiàn)象。該激光器輸出功率進(jìn)一步提升僅受限于可用泵浦功率。

圖2 光纖激光器輸出特性。(a)輸出功率隨泵浦功率的變化；(b)輸出功率10.03 kW時(shí)的功率波動(dòng)測(cè)試結(jié)果；(c)不同輸出功率下的光束質(zhì)量；(d)最高輸出功率下的時(shí)序和傅里葉變換頻譜

該工作利用自主研發(fā)的高模式不穩(wěn)定閾值大模場(chǎng)雙包層摻鐿光纖，基于級(jí)聯(lián)泵浦方案，實(shí)現(xiàn)了單纖萬(wàn)瓦高光束質(zhì)量光纖激光輸出，驗(yàn)證了自研大模場(chǎng)雙包層光纖具有支撐萬(wàn)瓦級(jí)高光束質(zhì)量激光的產(chǎn)生和放大能力，可為更高功率輸出的單模光纖激光器的設(shè)計(jì)和研制提供參考。研究團(tuán)隊(duì)下一步將聚焦光纖設(shè)計(jì)、非線性效應(yīng)抑制和模式控制方法研究，通過優(yōu)化光纖折射率分布、纖芯/包層尺寸、光纖彎曲直徑等方式，實(shí)現(xiàn)輸出功率和光束質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

國(guó)防科技大學(xué)前沿交叉學(xué)科學(xué)院光纖激光研究課題組主要從事大功率光纖激光器的前沿基礎(chǔ)理論、數(shù)值仿真設(shè)計(jì)、特種光纖研制、大功率光纖激光器研發(fā)、激光相干合成等工作。在前沿基礎(chǔ)理論方面，主要開展光纖激光器非線性效應(yīng)和模式不穩(wěn)定效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理、抑制方法研究，激光模式分析與診斷研究等。在數(shù)值仿真設(shè)計(jì)方面，基于基礎(chǔ)理論研究成果，聯(lián)合合作單位開發(fā)光纖激光仿真軟件系列SeeFiberLaser、SeeFiberTool、SeeNano等，用于光纖激光器的仿真和設(shè)計(jì)；在關(guān)鍵器件研制方面，主要開展特種有源光纖、無(wú)源光纖等的設(shè)計(jì)與研發(fā)，成功研制支持高功率輸出和傳輸?shù)碾p包層光纖、部分摻雜光纖、溝壑光纖、錐度光纖和偏振保持光纖等；在激光器研發(fā)方面，主要開展連續(xù)和脈沖體制的大功率光纖激光振蕩器/放大器、線偏振光纖激光振蕩器/放大器、特殊波長(zhǎng)光纖激光振蕩器/放大器和新型光纖激光器的設(shè)計(jì)與研發(fā)；在激光相干合成方面，課題組先后實(shí)現(xiàn)100束、400束和1000束規(guī)模連續(xù)激光相干合成和光纖激光相干合成千瓦級(jí)、5千瓦級(jí)、8千瓦級(jí)、20千瓦級(jí)功率輸出。