自研单锥形掺镱光纤，纳秒激光性能再升级

封面展示了大芯径单锥形掺镱光纤（T-YDF）在工业加工中放大高功率纳秒脉冲激光的示意图，背景强调了T-YDF在提高高功率纳秒脉冲激光放大器输出光束质量方面的优化作用。T-YDF通过其纵向变化的芯包层结构，有效抑制了高功率脉冲激光放大过程中的受激拉曼散射（SRS）和光束质量的退化，可实现更高的功率和能量水平，以及更优的光束质量，有助于实现更小的激光聚焦角和更短的聚焦半径，从而获得更高的功率密度和加工质量，拓展了纳秒脉冲激光放大器的应用范围。

一、研究背景

掺镱脉冲光纤激光器以其高功率、大能量等特点被广泛应用在工业**、生物医疗等科学领域。随着应用范围的不断拓展，脉冲光纤激光器聚焦于实现更高的功率和能量以及更好的光束质量。

目前，脉冲光纤激光器输出功率的提升主要受限于放大自发辐射引起的寄生振荡和高峰值功率引起的受激拉曼散射（SRS），采用大模场面积掺镱光纤可以有效抑制SRS效应，实现较高的功率与单脉冲能量，但较大的纤芯直径可以传输较多的高阶模式，导致光束质量退化。国外已报道采用短锥实现了高峰值功率和高光束质量的脉冲激光输出，但采用空间光路耦合，光路结构复杂且短锥制备比较困难。此外，自由空间结构或多路全光纤合束技术也是实现千瓦级纳秒脉冲激光的有效方法，其输出性能受限于单纤纳秒脉冲激光性能。因此，提升单纤纳秒脉冲激光输出性能，抑制SRS效应和光束质量退化，研究用于高功率脉冲激光放大器的大芯径锥形掺镱光纤，同时实现高平均功率、高单脉冲能量、高光束质量的脉冲激光输出具有重要意义。

二、创新工作

为了抑制高功率纳秒脉冲光纤激光放大器中的SRS效应和光束质量退化，华中科技大学李进延教授团队采用改进的化学气相沉积工艺结合溶液掺杂技术，设计并制备了31/250 μm到62/500 μm单锥形掺镱光纤（T-YDF），如图1所示。

图1 锥形光纤结构示意图

光纤总长度为4 m，锥区长度为1.5 m，62/500 μm尺寸均匀区长度为2.5 m。基于此T-YDF搭建了全光纤结构的纳秒脉冲MOPA系统，通过优化实验获得了T-YDF在系统中的最佳输出特性。在976 nm泵浦波长，重复频率100 kHz下，采用T-YDF实现了平均功率为832 W，单脉冲能量为8.32 mJ，峰值功率为24.8 kW，光束质量Mx2=3.506，My2=3.465的纳秒脉冲激光输出，这是该平均功率和单脉冲能量水平下，光束质量佳的单纤纳秒脉冲激光输出，为高功率纳秒脉冲激光合束提供了一个新的单模块实现方法。

为了实验验证T-YDF对纳秒脉冲光纤激光放大器SRS和光束质量退化的抑制效果，对比研究了自行研制的T-YDF与同一预制棒制备的纤芯/内包层直径分别为31/250 μm和50/400 μm的均匀掺镱光纤的纳秒脉冲激光性能。

采用同一预制棒制备的50/400 μm直径均匀光纤在系统中进行激光放大实验，最大输出功率773 W时SRS抑制比约为44.3 dB，1030 nm附近出现微弱的寄生振荡峰，最大功率的单脉冲能量为7.73 mJ，峰值功率为23.3 kW，光束质量为Mx2=4.848，My2=4.744。采用同一预制棒制备的31/250 μm直径均匀光纤在系统中进行激光放大实验，最大输出功率为372 W，对应单脉冲能量3.72 mJ，峰值功率约为13 kW。在输出功率达到124.2 W时光谱上出现SRS效应，输出功率达到372 W时信号光的SRS抑制比约为30 dB，功率的进一步提升将导致SRS效应进一步增强。最大输出功率下的光束质量Mx2=2.57，My2=2.889。

对比50/400 μm直径均匀光纤，T-YDF将SRS效应出现的阈值功率提升了约31%，将光束质量因子由4.8提升至3.5，展现了优异的非线性抑制效果与光束质量提升能力，与31/250 μm均匀光纤相比，T-YDF将系统最大输出功率由372 W提升至835 W，光束质量由2.7退化至3.5。

图2 T-YDF与50/400 μm YDF输出特性的对比。（a）最大输出功率下的光谱；（b）不同输出功率下的光束质量因子；（c）50/400 μm YDF在最大输出功率下的光束质量因子；（d）T-YDF在最大输出功率下的光束质量因子

三、总结与展望

为了在相同条件下对比单锥形掺镱光纤与直径均匀光纤的纳秒脉冲激光输出特性，系统中主放大级有源光纤后熔接的包层光滤除器（CPS）与石英扩束输出头（QBH）纤芯/内包层直径均为100/400 μm，尺寸不匹配光纤的熔接会导致光束质量一定程度上的恶化，尺寸匹配的CPS与QBH将会进一步提升输出纳秒脉冲激光的光束质量。此外，单锥形掺镱光纤的锥区长度也会影响其激光性能。因此，后续可以继续优化单锥形掺镱光纤的结构参数，并探究锥区长度对激光性能的影响。

参考文献： 中国光学期刊网

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