一、研究作者与机构

本研究由Xiangming Meng、Fengchang Li、Jinbao Chen、Xiaoming Xi、Baolai Yang、Peng Wang、Zhiyong Pan、Zhiping Yan、Hanwei Zhang、Xiaolin Wang和Zefeng Wang共同完成。这些作者均来自National University of Defense Technology（国防科技大学）的多个研究机构，包括College of Advanced Interdisciplinary Studies（先进交叉学科研究院）、Nanhu Laser Laboratory（南湖激光实验室）以及Hunan Provincial Key Laboratory of High Energy Laser Technology（湖南省高能激光技术重点实验室）。该研究发表于IEEE Photonics Journal，并于2024年10月28日接收。

二、学术背景

本研究属于高功率光纤激光器领域，特别是掺镱光纤激光器（Ytterbium-Doped Fiber Laser, YDFL）的研究。高功率光纤激光器因其优异的光束质量、高转换效率和易于热管理等特点，在工业应用中得到了广泛应用，如精密激光切割、激光焊接和增材制造等。然而，高功率光纤激光器的泵浦方案主要有两种：激光二极管直接泵浦（LD Direct Pumping）和级联泵浦（Tandem Pumping）。级联泵浦虽然能够实现高功率输出，但其系统复杂、体积大且成本高。相比之下，激光二极管直接泵浦具有高效率、小尺寸和低成本的优势，因此在工业应用中具有显著的竞争力。

本研究的背景在于，尽管激光二极管直接泵浦方案在工业应用中具有优势，但其输出功率通常低于级联泵浦方案。因此，本研究旨在通过优化设计和实验验证，开发一种基于激光二极管直接泵浦的高功率掺镱光纤放大器，以实现更高的输出功率和光束质量。

三、研究流程

本研究分为两个主要实验阶段，分别实现了约13 kW和20.27 kW的激光输出。以下是详细的研究流程：

1. 实验装置

研究采用了一种基于主振荡功率放大器（Master Oscillator Power Amplifier, MOPA）架构的高功率光纤激光系统。系统包括以下几个关键组件： - 种子激光器（Seed Laser）：核心/包层尺寸为20/400 μm，输出功率约为500 W。 - 模式场适配器（Mode Field Adapter, MFA）：用于解决种子激光器与掺镱光纤之间的模式不匹配问题。 - 包层光剥离器（Cladding Light Stripper, CLS）：用于过滤掉包层中的残余泵浦光。 - 大模场掺镱光纤（Large Mode Area Ytterbium-Doped Fiber, LMA YDF）：作为增益介质，能够降低功率密度，减少非线性效应。 - 后向泵浦/信号合束器（Backward-Pump/Signal Combiner, BPSC）：用于将泵浦光与信号光合束。 - 石英块头（Quartz Block Head, QBH）：用于输出激光。

2. 实验步骤

第一阶段：13 kW激光输出

• 泵浦源：使用18个中心波长为981 nm的激光二极管（LDs）作为泵浦源，总泵浦功率约为15 kW。
• 掺镱光纤：采用自制的LMA YDF，核心/包层直径为30/600 μm，长度为38米。
• 实验结果：在15 kW泵浦功率下，实现了12.94 kW的激光输出，光-光转换效率（Optical-to-Optical Efficiency, O-O Efficiency）为86.3%。光束质量因子M²为2.85，光谱宽度为5.05 nm，未观察到显著的受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）现象。

第二阶段：20 kW激光输出

• 掺镱光纤优化：将LMA YDF替换为核心/包层直径为50/800 μm的自制掺镱光纤，长度为20米。
• 泵浦源优化：使用915 nm和976 nm双波长激光二极管作为泵浦源，总泵浦功率为23.3 kW。
• 实验结果：在23.3 kW泵浦功率下，实现了20.27 kW的激光输出，光-光转换效率为84.8%。拉曼抑制比超过50 dB，未观察到横向模式不稳定性（Transverse Mode Instability, TMI）。

四、主要结果

1. 13 kW激光输出：在981 nm激光二极管泵浦下，实现了12.94 kW的激光输出，光-光转换效率为86.3%，光束质量因子M²为2.85。
2. 20 kW激光输出：在915 nm和976 nm双波长激光二极管泵浦下，实现了20.27 kW的激光输出，光-光转换效率为84.8%，拉曼抑制比超过50 dB。

五、结论与意义

本研究成功开发了一种基于激光二极管直接泵浦的高功率掺镱光纤放大器，实现了20.27 kW的激光输出。这一成果不仅展示了激光二极管直接泵浦方案在高功率光纤激光器中的潜力，还为工业应用提供了一种高效、低成本的高功率激光解决方案。此外，研究还通过优化掺镱光纤和泵浦源设计，显著提高了激光输出功率和光束质量，为未来高功率光纤激光器的进一步发展提供了重要参考。

六、研究亮点

1. 高功率输出：本研究实现了20.27 kW的激光输出，是目前激光二极管直接泵浦单光纤激光系统的最高输出功率。
2. 高效率：光-光转换效率达到84.8%，表明泵浦光被充分吸收。
3. 拉曼抑制：拉曼抑制比超过50 dB，有效抑制了非线性效应。
4. 双波长泵浦：采用915 nm和976 nm双波长激光二极管泵浦，进一步提高了增益均匀性和热管理能力。

七、其他有价值的内容

本研究还详细讨论了高功率光纤激光器中的关键技术挑战，如受激拉曼散射和横向模式不稳定性，并提出了相应的解决方案。这些讨论为未来高功率光纤激光器的设计和优化提供了重要指导。

综上所述，本研究在高功率光纤激光器领域取得了重要突破，展示了激光二极管直接泵浦方案的巨大潜力，并为工业应用提供了高效、低成本的高功率激光解决方案。