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袁纬仪，付 敏，李智贤，王泽锋，陈子伦
（国防科技大学 前沿交叉学科学院，南湖之光实验室，脉冲功率激光技术国家重点实验室）
光纤激光器以光束质量好、易于实现高功率和高效率等特点，吸引了研究学者极大的关注。在光纤激光系统中，光纤包层中的光（即包层光）不仅会导致输出激光的光束质量变差，还会增加激光输出系统，如光纤端帽和输出准直聚焦系统等损伤的风险，目前主要通过包层光滤除器来解决这一问题。包层光滤除器通过破坏光纤包层外边界的全反射条件，使包层光通过折射或者散射传输到包层外，从而实现包层光的滤除。在高功率光纤激光器中，光纤输出端纤芯中光的功率密度很高，光纤端面很容易损伤，同时端面反射的回光也会给激光输出系统的稳定性带来严峻考验，目前解决这一问题主要是通过熔接可承载高功率激光输出的光纤端帽。光纤端帽是在石英光纤输出端熔接一段玻璃棒，通过扩大光场分布面积，降低输出端面功率密度和采用增透膜提高激光透过率来解决输出端的热负载问题。在同一根光纤上制备包层光滤除器和光纤端帽，进行一体化设计，可以减少常规光纤激光系统中的一个光纤熔点，有利于提高光纤激光器系统的功率稳定性和光束质量。
国防科技大学高能激光技术研究所基于光纤端帽制备及熔接工艺，研制了可承载高功率激光输出的光纤端帽，在2015年基于高功率光纤端帽实现了单模光纤端帽3 kW、多模光纤端帽6 kW的激光输出。结合包层光滤除器制备工艺，优化设计光纤包层光滤除器分段腐蚀滤除结构，细化滤除工艺，提高了包层光滤除器的滤除能力，研制了一体化高功率光纤包层光滤除器和光纤端帽。
研制的一体化高功率光纤包层光滤除器和光纤端帽分别在20 kW级合束系统和单路光纤放大器中得到了应用。实验装置及结果如图1所示，其中图1（a）为应用于合束系统，图1（b）为应用于单路光纤放大器，测试过程中在利用功率计测量输出功率时，同时利用红外热像仪检测一体化光纤包层光滤除器和光纤端帽的温度随功率的变化。
图1 实验装置示意图及输出测试结果
如图1（a）所示，采用实验室自研的7×1的光纤功率合束器[5]将7个功率均为3 kW的激光光源进行合束，一体化器件作为合束系统中包层光的滤除和激光的输出，输出功率为20.17 kW时，端帽最高温度为40.1 ℃（环境温度为24 ℃），温升速率为0.8 ℃/kW。如图1（b）所示，光纤放大器系统采用反向同带泵浦结构，一体化器件作为光纤放大系统中包层光的滤除和激光的输出，输出功率为20.25 kW时，实验结果如图1（c）所示，端帽最高温度为39.3 ℃。一体化器件所采用的光纤均为50/400 μm（纤芯数值孔径NA=0.12）的双包层光纤，其中滤除器可实现2 kW包层光的滤除，滤除率大于20 dB。一体化高功率包层光滤除器和光纤端帽的研制，可为高功率光纤激光器系统提供重要的器件支撑。
该课题得到了国家自然科学基金项目(11974427)、湖南省自然科学基金杰出青年科学基金项目（2019JJ20023）的支持。
