引言
摻鐿光纖雷射器具有結構緊湊、電光效率高、熱管理方便等優勢，廣泛套用於先進制造、材料處理等領域。 使用 1018 nm 光纖雷射對摻鐿光纖 (Yb-doped fiber, YDF) 進行級聯泵浦是目前獲得萬瓦級高光束品質光纖雷射的主要技術方案之一。 利用該方案，美國IPG Photonics公司於2009年研制出10 kW單模摻鐿光纖雷射器。根據公開發表的文獻，迄今尚還未有第二家單位實作10 kW級 M 2 <2的高光束品質光纖雷射。 如何在常規雙包層 YDF 中實作高功率、高光束品質的雷射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計畫（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制備技術，綜合采用後向泵浦、種子雷射拉曼濾波、增益光纖彎曲直徑最佳化、輸出傳能光纖長度最佳化等方式，有效提升了級聯泵浦光纖雷射器的模式不穩定效應閾值和非線性效應閾值，實作了輸出功率10 kW，光束品質因子 M 2 =1.92光纖雷射輸出。
相關成果發表在 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 ）
級聯泵浦光纖雷射系統設計
雷射器系統結構示意圖如圖1所示，1080 nm種子雷射經傾斜光柵(Chirped and tilted fiber Bragg grating, CTFBG)、模式介面卡(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30 μm和0.06，內包層直徑和數值孔徑分別為250 μm和0.46，泵浦光吸收系數約為0.4 dB/m@1018nm，YDF長度約38 m。1018 nm泵浦雷射透過(6+1)×1後向泵浦訊號合束器(Backward pump and signal combiner, BPSC)註入YDF。放大後的訊號光經包層光濾除器(CLS 2)和端帽(Quartz block holder, QBH)輸出。為即時監測雷射器特性，輸出雷射經準直器(Collimator, CO)後由反射率大於99.99%的高反鏡(Highly reflective mirror, HRM)進行分束。微弱的透射光進入光束品質儀(Laser quality monitor , LQM)，反射的高功率雷射經進入功率計，散射光進入光譜儀(Optical spectrum analyzer, OSA)和光電探測器(Photodetector, PD)。
圖1 10 kW級聯泵浦光纖雷射系統結構圖
實驗結果
本工作在前期研究（ Optics Express 31, 24423-24436 (2023)）的基礎上，進一步最佳化了光纖的盤繞方式，透過調控模間競爭實作了對高階模功率放大的有效抑制，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品質。此外，針對輸出尾纖(圖1中A至B點)中的雷射功率密度極高的情況，當雷射器輸出尾纖為1.5 m時，輸出功率為10.03 kW，光譜中仍未出現明顯的拉曼特征峰，實作了受激拉曼效應的有效抑制。
圖2(a)所示為10 kW級雷射器的功率曲線，最大輸出雷射功率達到10.03 kW，雷射器光光轉換效率為79.6%。圖2(b)所示為雷射器的功率穩定性測試結果，200秒測試時間內，滿功率執行的雷射器功率波動為~0.7%，表明雷射器具有良好的功率穩定性。圖2(c)所示為不同功率下的光束品質，最高功率10.03 kW時 M 2 =1.92。圖2(d) 所示的雷射器時序及頻譜表明系統未出現模式不穩定現象。該雷射器輸出功率進一步提升僅受限於可用泵浦功率。
圖2 光纖雷射器輸出特性。(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品質；(d)最高輸出功率下的時序和傅立葉變換頻譜
總結與展望
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，基於級聯泵浦方案，實作了單纖萬瓦高光束品質光纖雷射輸出，驗證了自研大模場雙包層光纖具有支撐萬瓦級高光束品質雷射的產生和放大能力，可為更高功率輸出的單模光纖雷射器的設計和研制提供參考。研究團隊下一步將聚焦光纖設計、非線性效應抑制和模式控制方法研究，透過最佳化光纖折射率分布、纖芯/包層尺寸、光纖彎曲直徑等方式，實作輸出功率和光束品質的進一步提升。
團隊介紹
國防科技大學前沿交叉學科學院光纖雷射研究課題組主要從事大功率光纖雷射器的前沿基礎理論、數值仿真設計、特種光纖研制、大功率光纖雷射器研發、雷射相幹合成等工作。在前沿基礎理論方面，主要開展光纖雷射器非線性效應和模式不穩定效應的產生機理、抑制方法研究，雷射模式分析與診斷研究等。在數值仿真設計方面，基於基礎理論研究成果，聯合合作單位開發光纖雷射仿真軟體系列SeeFiberLaser、SeeFiberTool、SeeNano等，用於光纖雷射器的仿真和設計；在關鍵器件研制方面，主要開展特種有源光纖、無源光纖等的設計與研發，成功研制支持高功率輸出和傳輸的雙包層光纖、部份摻雜光纖、溝壑光纖、錐度光纖和偏振保持光纖等；在雷射器研發方面，主要開展連續和脈沖體制的大功率光纖雷射振蕩器/放大器、線偏振光纖雷射振蕩器/放大器、特殊波長光纖雷射振蕩器/放大器和新型光纖雷射器的設計與研發；在雷射相幹合成方面，課題組先後實作100束、400束和1000束規模連續雷射相幹合成和光纖雷射相幹合成千瓦級、5千瓦級、8千瓦級、20千瓦級功率輸出。
推薦閱讀：
1. 深圳大學 | 國際最高功率的3 μm中紅外飛秒光纖雷射器
2. 大脈沖展寬比實作高功率全光纖超快雷射放大
3. 國科大杭高院：單模保偏光纖輸出的高功率單頻摻鉺光纖放大器
依托 High Power Laser Science and Engineering 期刊，我們建立了 高功率社群（Community） ，每周定期更新領域內最新研究成果、會議、裝置、人事等新聞。歡迎各位研究學者線上瀏覽。
高功率社群新聞速遞：
1. LLE的高能密度物理理論組釋出了新程式碼MELIORA，有助於解釋慣性局限融合等高能量密度關鍵問題。
2. 第15屆國際同步放射線儀器會議將於2024年8月26日-30日在德國漢堡舉行。
