摻鐿光纖激光器具有結構緊湊、電光效率高、熱管理方便等優(you) 勢，廣泛應用於(yu) 先進製造、材料處理等領域。使用1018 nm光纖激光對摻鐿光纖(Yb-doped fiber, YDF)進行級聯泵浦是目前獲得萬(wan) 瓦級高光束質量光纖激光的主要技術方案之一。利用該方案，美國IPG Photonics公司於(yu) 2009年研製出10 kW單模摻鐿光纖激光器。根據公開發表的文獻，迄今尚還未有第二家單位實現10 kW級M²<2的高光束質量光纖激光。如何在常規雙包層YDF中實現高功率、高光束質量的激光輸出具有較大技術挑戰，也是高功率光纖學科方向的研究熱點。

近期，在國家重點研發計劃項目（2022YFB3606000）支持下，國防科技大學研究團隊突破高模式不穩定閾值大模場雙包層YDF製備技術，綜合采用後向泵浦、種子激光拉曼濾波、增益光纖彎曲直徑優(you) 化、輸出傳(chuan) 能光纖長度優(you) 化等方式，有效提升了級聯泵浦光纖激光器的模式不穩定效應閾值和非線性效應閾值，實現了輸出功率10 kW，光束質量因子M²=1.92光纖激光輸出。

相關(guan) 成果發表在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）

激光器係統結構示意圖如圖1所示，1080 nm種子激光經傾(qing) 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)後進入YDF。YDF纖芯直徑和數值孔徑分別為(wei) 30 μm和0.06，內(nei) 包層直徑和數值孔徑分別為(wei) 250 μm和0.46，泵浦光吸收係數約為(wei) 0.4 dB/m@1018nm，YDF長度約38 m。1018 nm泵浦激光通過(6+1)×1後向泵浦信號合束器(Backward pump and signal combiner, BPSC)注入YDF。放大後的信號光經包層光濾除器(CLS 2)和端帽(Quartz block holder, QBH)輸出。為(wei) 實時監測激光器特性，輸出激光經準直器(Collimator, CO)後由反射率大於(yu) 99.99%的高反鏡(Highly reflective mirror, HRM)進行分束。微弱的透射光進入光束質量儀(yi) (Laser quality monitor , LQM)，反射的高功率激光經進入功率計，散射光進入光譜儀(yi) (Optical spectrum analyzer, OSA)和光電探測器(Photodetector, PD)。

本工作在前期研究（Optics Express 31, 24423-24436 (2023)）的基礎上，進一步優(you) 化了光纖的盤繞方式，通過調控模間競爭(zheng) 實現了對高階模功率放大的有效抑製，有效提升了模式不穩定閾值，保證了功率提升全過程中的高光束質量。此外，針對輸出尾纖(圖1中A至B點)中的激光功率密度極高的情況，當激光器輸出尾纖為(wei) 1.5 m時，輸出功率為(wei) 10.03 kW，光譜中仍未出現明顯的拉曼特征峰，實現了受激拉曼效應的有效抑製。

圖2(a)所示為(wei) 10 kW級激光器的功率曲線，最大輸出激光功率達到10.03 kW，激光器光光轉換效率為(wei) 79.6%。圖2(b)所示為(wei) 激光器的功率穩定性測試結果，200秒測試時間內(nei) ，滿功率運行的激光器功率波動為(wei) ~0.7%，表明激光器具有良好的功率穩定性。圖2(c)所示為(wei) 不同功率下的光束質量，最高功率10.03 kW時M²=1.92。圖2(d) 所示的激光器時序及頻譜表明係統未出現模式不穩定現象。該激光器輸出功率進一步提升僅(jin) 受限於(yu) 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時的功率波動測試結果；(c)不同輸出功率下的光束質量；(d)最高輸出功率下的時序和傅裏葉變換頻譜

該工作利用自主研發的高模式不穩定閾值大模場雙包層摻鐿光纖，基於(yu) 級聯泵浦方案，實現了單纖萬(wan) 瓦高光束質量光纖激光輸出，驗證了自研大模場雙包層光纖具有支撐萬(wan) 瓦級高光束質量激光的產(chan) 生和放大能力，可為(wei) 更高功率輸出的單模光纖激光器的設計和研製提供參考。研究團隊下一步將聚焦光纖設計、非線性效應抑製和模式控製方法研究，通過優(you) 化光纖折射率分布、纖芯/包層尺寸、光纖彎曲直徑等方式，實現輸出功率和光束質量的進一步提升。

國防科技大學前沿交叉學科學院光纖激光研究課題組主要從(cong) 事大功率光纖激光器的前沿基礎理論、數值仿真設計、特種光纖研製、大功率光纖激光器研發、激光相幹合成等工作。在前沿基礎理論方麵，主要開展光纖激光器非線性效應和模式不穩定效應的產(chan) 生機理、抑製方法研究，激光模式分析與(yu) 診斷研究等。在數值仿真設計方麵，基於(yu) 基礎理論研究成果，聯合合作單位開發光纖激光仿真軟件係列SeeFiberLaser、SeeFiberTool、SeeNano等，用於(yu) 光纖激光器的仿真和設計；在關(guan) 鍵器件研製方麵，主要開展特種有源光纖、無源光纖等的設計與(yu) 研發，成功研製支持高功率輸出和傳(chuan) 輸的雙包層光纖、部分摻雜光纖、溝壑光纖、錐度光纖和偏振保持光纖等；在激光器研發方麵，主要開展連續和脈衝(chong) 體(ti) 製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、特殊波長光纖激光振蕩器/放大器和新型光纖激光器的設計與(yu) 研發；在激光相幹合成方麵，課題組先後實現100束、400束和1000束規模連續激光相幹合成和光纖激光相幹合成千瓦級、5千瓦級、8千瓦級、20千瓦級功率輸出。