本文档是针对该研究的学术报告，旨在向其他研究人员介绍该研究的内容和意义。
本研究的博士学位论文由刘锐在华中科技大学完成，指导教师为闫大鹏教授。论文于2020年5月31日提交，并于同年通过答辩。该研究主要围绕高功率光纤激光器用掺镱（Yb）光纤的设计、制备及其性能展开，旨在解决高功率光纤激光器中的光致暗化（Photodarkening, PD）和非线性效应问题。
高功率光纤激光器因其高效率、小体积、优异的光束质量、易于热管理和高稳定性等优点，近年来在工业加工、军事、医疗和科研等领域得到了广泛应用。然而，光致暗化和非线性效应限制了光纤激光器输出功率的进一步提升。光致暗化是指光纤在长时间工作后输出功率下降的现象，而非线性效应则会导致激光输出不稳定，影响光束质量。
本研究的主要目标是设计并制备一种新型的掺镱光纤，通过优化光纤的掺杂成分和结构，抑制光致暗化和非线性效应，从而实现高功率、稳定的激光输出。研究背景包括光纤激光器的发展历程、掺镱光纤的基本特性及其在高功率激光器中的应用。
本研究分为多个步骤，涵盖了光纤设计、制备、测试和性能优化等多个方面。
研究首先从掺镱光纤的设计出发，通过仿真模拟分析了光纤的基本结构、组成、数值孔径（NA）、模场直径（MFD）和归一化频率等参数对光纤性能的影响。研究团队通过优化这些参数，设计出适合高功率激光器使用的掺镱光纤。
研究团队详细阐述了高功率光纤激光器用掺镱光纤预制棒的制备技术、拉丝技术和测试技术。在制备过程中，研究团队特别关注了光纤预制棒的化学反应过程，并通过相关测试技术对光纤的性能进行了分析。
为了研究光致暗化效应，研究团队搭建了光致暗化测试系统，并基于掺镱光纤激光器的稳态速率方程和振荡器理论模型，优化了测试过程中的泵浦方式、泵浦功率和测试光纤长度。通过GR&R（Gauge Repeatability and Reproducibility）方法对测试系统进行了评估，结果表明系统的重复性和稳定性良好。
研究团队通过实验验证了铈（Ce）掺杂对光致暗化效应的抑制作用，并优化了Ce的掺杂浓度。实验发现，少量的磷（P）掺杂（P2O5 ~0.27 mol%）可以显著改善Yb/Ce共掺铝硅酸盐光纤的光致暗化抑制性能，同时不会降低光纤的包层泵浦吸收。进一步研究发现，纤芯中共掺杂一定浓度的Ce2O3（~0.05 mol%）、P2O5（~0.83 mol%）和Al2O3（~1.61 mol%）的Yb/Ce/P共掺20/400 μm铝硅酸盐光纤表现出优异的光致暗化抑制性能，在633 nm处的光致暗化附加损耗约为0 dB/m。
研究团队通过将低折射率氟掺杂石英单元嵌入光纤预制棒的内包层，减小了光纤圆形内包层的有效泵浦面积，从而提高了双包层掺镱光纤的包层泵浦吸收。研究还提出了一个修正模型，用于评估内包层改性圆形光纤的包层泵浦吸收，结果表明包层泵浦吸收的大小取决于嵌入内包层的氟掺杂石英单元的数量和直径。
针对常规Yb掺杂铝硅酸盐光纤在短波长区域输出激光时受放大自发辐射（ASE）和非线性效应抑制的问题，研究团队制备了Yb掺杂25/400 μm磷硅酸盐二元光纤。实验证明，与常规Yb掺杂铝硅酸盐光纤相比，磷硅酸盐光纤在短波长区域具有更好的ASE和非线性效应抑制效果。
通过上述实验，研究团队获得了以下主要结果： 1. 光致暗化抑制：通过Ce和P的共掺杂，显著改善了Yb掺杂铝硅酸盐光纤的光致暗化抑制性能，光致暗化附加损耗降低至0 dB/m。 2. 包层泵浦吸收增强：通过内包层改性，提高了双包层掺镱光纤的包层泵浦吸收，使其在全光纤谐振腔系统中非线性受激拉曼散射（SRS）阈值提高了31.3%。 3. 短波长激光输出优化：Yb掺杂磷硅酸盐光纤在短波长区域表现出优异的ASE和非线性效应抑制效果，适合短波长激光输出。
本研究通过优化掺镱光纤的掺杂成分和结构，成功抑制了光致暗化和非线性效应，实现了高功率、稳定的激光输出。研究结果不仅具有重要的科学价值，还为高功率光纤激光器的实际应用提供了技术支持。具体来说，研究团队提出的Yb/Ce/P共掺铝硅酸盐光纤和内包层改性技术，为高功率光纤激光器的设计和制造提供了新的思路。
研究团队还提出了光纤纤芯台阶式结构设计，通过控制纤芯的低数值孔径，实现了高功率激光下的优异光束质量输出。这一设计为未来高功率光纤激光器的进一步优化提供了新的方向。
本研究通过系统的实验和理论分析，成功设计并制备了一种新型的掺镱光纤，显著抑制了光致暗化和非线性效应，为高功率光纤激光器的稳定输出提供了重要的技术支持。研究结果不仅具有重要的科学价值，还为光纤激光器的实际应用提供了新的解决方案。