基于锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出的研究

1. 主要作者及研究机构

本研究由国防科技大学前沿交叉学科学院和南湖之光实验室的肖虎、潘志勇、陈子伦等多名研究人员共同完成。研究结果发表于2024年1月的《强激光与粒子束》（High Power Laser and Particle Beams）期刊，DOI为10.11884/hplpb202436.230418。

2. 学术背景与研究目标

高功率掺镱光纤激光器（Ytterbium-Doped Fiber Laser, YDFL）在工业加工、国防科技等领域具有重要应用价值。然而，随着功率的提升，非线性效应（尤其是受激拉曼散射，Stimulated Raman Scattering, SRS）和模式控制成为主要技术瓶颈。传统均匀双包层光纤在抑制SRS和提高光束质量之间存在矛盾：增大纤芯直径可提高SRS阈值，但会导致高阶模增多，降低光束质量。

锥形光纤（Tapered Ytterbium-Doped Fiber, TYDF）因其纵向纤芯直径变化，能够在小芯径区实现模式控制，在大芯径区降低功率密度以抑制SRS，从而在高功率激光输出中展现出独特优势。本研究旨在通过自主研制的锥形掺镱光纤，实现20 kW高光束质量激光输出，并验证锥形光纤在高功率激光领域的潜力。

3. 研究流程与方法

研究主要包括以下几个步骤：

（1）激光器结构设计
激光器采用主振荡功率放大（Master Oscillator Power Amplifier, MOPA）结构，后向泵浦设计以提高SRS阈值。具体结构如图1所示：
- 种子光源为1 080 nm光纤激光，经模场适配器（Mode Field Adapter, MFA）、倾斜光栅（Chirped Tilted Fiber Bragg Grating, CTFBG）和包层光滤除器（Cladding Power Stripper, CPS 1）后注入TYDF的小芯径端。
- 泵浦光源为1 018 nm光纤激光，通过后向(6+1)×1合束器（Pump Signal Combiner, PSC）注入TYDF的大芯径端。
- 放大后的信号光经CPS 2和光纤端帽（Quarter-Pitch Block, QBH）输出。

（2）锥形掺镱光纤的设计与制备
TYDF由国防科技大学自主设计，其小芯径区纤芯/内包层直径为30/250 μm，大芯径区为48/400 μm，纤芯数值孔径为0.066。光纤总长度为60 m，分为小芯径区（15 m）、锥区（30 m）和大芯径区（15 m）。TYDF采用螺旋型盘绕方式固定于光纤水冷板上，最小盘绕直径大于25 cm。

（3）实验与数据采集
- 输出功率测试：在24.8 kW泵浦功率下，激光器输出功率达到20.2 kW，整体斜率效率为80.8%。
- 光谱分析：最高输出功率时，SRS抑制比为33 dB，未观察到明显的拉曼光成分。
- 光束质量测试：使用Primes LQM 200测量13.5 kW输出时的光束质量M²因子为2.18；使用中国科学院合肥物质科学研究院的Gym-100光束质量测量仪测试20 kW输出时的β因子，150秒内测得β因子最小值为1.93，最大值为2.05，平均值为1.99。

4. 主要研究结果

• 输出功率：在24.8 kW泵浦功率下，实现了20.2 kW的激光输出，整体斜率效率为80.8%。
  
• 光束质量：13.5 kW输出时，M²因子为2.18；20 kW输出时，β因子平均值为1.99，显著优于团队2022年基于48/400 μm均匀光纤实现的20 kW激光器（β因子平均值为2.94）。
  
• SRS抑制：最高输出功率时，SRS抑制比为33 dB，表明锥形光纤在抑制非线性效应方面具有显著优势。

5. 研究意义与价值

本研究通过自主研制的锥形掺镱光纤，成功实现了20 kW高光束质量激光输出，验证了锥形光纤在高功率激光领域的应用潜力。其科学价值在于：
- 提出了锥形光纤在平衡SRS抑制和模式控制方面的创新设计思路。
- 为高功率光纤激光器的功率提升和光束质量优化提供了新的技术路径。
- 推动了国产高功率光纤激光器技术的发展，具有重要的国防和工业应用价值。

6. 研究亮点

• 创新性设计：首次采用锥形掺镱光纤实现20 kW高光束质量激光输出，解决了传统均匀光纤在SRS抑制和模式控制之间的矛盾。
  
• 高性能指标：输出功率达到20.2 kW，光束质量β因子平均值优于2，SRS抑制比为33 dB，均处于国际领先水平。
  
• 自主研制：TYDF及关键器件均为国防科技大学自主设计研制，展示了我国在高功率光纤激光器领域的自主研发能力。

7. 其他有价值的内容

• 研究团队计划进一步优化TYDF和光纤器件结构参数，以实现更高功率和更优光束质量的激光输出。
  
• 本研究为后续高功率光纤激光器的设计和应用提供了重要的理论和实验依据。

综上所述，本研究通过创新性的锥形光纤设计和实验验证，成功实现了20 kW高光束质量激光输出，为高功率光纤激光器的发展提供了重要的技术支撑和科学参考。