国防科大基于锥形掺镱光纤实现20kW高光束质量激光输出

研究背景

非线性效应抑制和模式控制是目前高功率掺镱光纤激光器（YDFL）功率提升面临的技术难题。增大YDF纤芯直径有利于提高SRS阈值，但导致高阶模控制更为困难，难以实现高光束质量。与均匀双包层光纤相比，锥形光纤在兼顾SRS抑制和模式控制方面具有一定的优势。锥形光纤的小芯径部分可减少纤芯导模数量以实现有效的模式控制，大芯径部分则有利于降低纤芯功率密度以提高SRS阈值。2022年，国防科技大学基于均匀双包层掺镱光纤已实现了20 kW激光输出，光束质量M2因子为3．3。为进一步提高光束质量，团队开展了锥形掺镱光纤（TYDF）激光器理论和实验研究。

研究进展

为提高SRS阈值，激光器采用后向泵浦的主振荡功率放大（MOPA）结构，如图1所示。1080 nm种子光依次经模场适配器（MFA）、倾斜光栅（CTFBG）和包层光滤除器（CPS 1）后从TYDF的小端注入。1018 nm泵浦光经后向（6＋1）×1合束器（PSC）泵浦臂注入TYDF大端。放大后的信号光经包层光滤除器（CPS 2）和光纤端帽（QBH）后输出。CPS 1的尾纤为30／250μm双包层传能光纤。PSC、CPS2和QBH尾纤均为48／400μm双包层传能光纤。国防科技大学自主设计研制的TYDF其小芯径区的纤芯／内包层直径为30／250μm，大芯径区的纤芯／内包层直径为48／400μm，纤芯数值孔径为0．066，包层吸收系数约为0．36 dB／m＠1018 nm，TYDF光纤的小芯径区、锥区、大芯径区长度分别为15 m、30 m、15 m。TYDF采用螺旋型盘绕方式固定于光纤水冷板上，最小盘绕直径大于25cm。

图1 20 kW光纤激光器结构示意图

激光器输出功率变化如图2（a）所示。200 W的1080nm种子激光经放大器后的输出功率为160 W。当注入TYDF的最高泵浦功率为24．8 kW时，输出激光功率为20．2 kW，对应的整体斜率效率为80．8％。最高输出功率时的光谱如图2（b）所示，此时SRS抑制比为33dB且无明显的拉曼光成份。不同功率下的光束质量M2因子（使用Primes LQM 200测量，准直器焦距为120 mm）如图2（c）所示。13．5 kW时M2因子为2．18，相比团队2022年基于48／400 μm均匀光纤时同等功率下的测量结果（M2＝2．8），光束质量得到了明显提升。

由于激光光斑较小（LQM 200入射光斑直径需小于15 mm），随着输出功率的增加，准直器镜片的热效应加剧，导致了明显的离焦相差和光斑畸变，因此暂未能完成20 kW输出功率时M2的准确测量。实验中还使用中科院合肥物质科学研究院研制的光束质量测量仪（GYM－100），依据《GJB 7367－2011高能激光光束质量因子β测量方法》，对光束质量β因子进行了测试。由于使用了长焦距（190 mm）的大光斑准直器，一定程度上缓解了准直器的热效应对测量结果的影响。13．5 kW时的β因子为1．92，20 kW时的β测试结果如图2（d）所示。150 s内测得β因子最小值为1．93，最大值为2．05，平均值为1．99。

图2 激光输出功率及测试结果

未来展望

因目前尚无β因子与M2因子的精确换算方法，暂无法由β因子测试结果得出20 kW时的M2因子真实值。但对比团队2022年基于48／400μm均匀YDF实现的20 kW激光器（基于相同测试系统测得β因子平均值为2．94），光束质量得到了明显提升。实验结果验证了锥形光纤改善光束质量的可行性。在后续工作中，团队将继续优化TYDF和光纤器件结构参数，实现功率和光束质量的进一步提升。

来源：国防科技大学