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杨保来，杨欢，叶云，奚小明，张汉伟，黄良金，王鹏，史尘，
王小林，闫志平，潘志勇，王泽锋，周朴，许晓军，陈金宝
（国防科技大学前沿交叉学科学院，脉冲功率激光技术国家重点实验室，高能激光技术湖南省重点实验室）
高功率高光束质量光纤激光器在工业加工和军事国防等领域有着广泛的应用。随着光纤激光器输出功率的提升，激光器中的模式不稳定效应（TMI）和非线性效应（NLE）成为主要的限制因素，其中，对于宽谱激光，非线性效应中的受激拉曼散射效应（SRS）最为显著。为实现非线性效应和模式不稳定效应同时有效抑制，新型结构大模场增益光纤成为重要的研究课题。锥形光纤具有沿光纤纵向缓慢变化的模场面积，能够在保持较好的模式特性的同时，有效提升光纤的非线性效应阈值，具有应用于高功率光纤激光的较大潜力。“纺锤形”渐变锥形光纤，能够较好的匹配合束器、光纤光栅等无源器件，且不显著降低光纤的TMI阈值，通过合理设计激光器结构，可实现高功率高光束质量激光输出。
图1 双向泵浦纺锤形掺镱光纤激光器实验结构示意图
课题组采用单位自研的纺锤形渐变掺镱光纤结合981 nm波长泵浦源双向泵浦方案，实现了功率大于6 kW的高光束质量（M2<2）宽谱激光输出。激光器的原理结构示意图如图1所示，采用主振荡功率放大（MOPA）结构，种子激光为单级谐振腔光纤激光器，种子功率约为100W，放大级采用双端泵浦结构，利用(6+1)×1泵浦/信号合束器将多组半导体泵浦源（LDs）耦合注入双包层掺镱光纤，该掺镱光纤纤芯和内包层为纺锤形渐变结构，输入/输出端纤芯/内包层直径为25/400μm，光纤中部区域纤芯/内包层直径为37.5/600μm，纤芯数值孔径为0.06，纺锤形渐变掺镱光纤总长度为30米，光纤在981nm泵浦的吸收系数约为0.8 dB/m，前向/后向泵浦光都能够被充分吸收。
随泵浦功率增加，激光器的输出功率和效率曲线如图2（a）所示，在前向和后向泵浦功率分别为2.42 kW和5.26 kW时，激光器输出功率达到最大6.02 kW，斜.率效率约为78.3%。
不同输出功率时的输出激光光谱如图2（b）所示，激光中心波长为1080 nm，功率提升过程中出现明显的光谱展宽现象，在最高功率时输出激光光谱3 dB带宽为4.76 nm。
使用光束测量设备（BeamSquared）测试最高输出功率时的光束质量，结果如图2（c）所示，x和y方向的M2因子分别为1.87和1.85，束腰位置光斑形态如图2（c）中插图所示。
图2（a） 不同泵浦功率时输出功率和效率 图2(b) 种子光和放大器输出激光光谱 图2(c) 最高功率时输出激光光束质量
实验中监测输出激光的时域信号，并未发现模式不稳定效应对应的典型时域信号特征。由于纺锤形渐变掺镱光纤存在一定的制作难度，与常规掺镱光纤产品相比一致性相对较差，且与无源器件之间存在一定的匹配性差异，导致放大级输出激光光束质量存在一定的退化。通过进一步改进光纤制作工艺、优化光纤结构参数和匹配无源器件等方式，有望实现更高功率、更好的光束质量激光输出。
该课题得到了国家自然科学基金项目(61905282, 62005315)的支持。
