封面展示了大芯徑單錐形摻鐿光纖（T-YDF）在工業(yè)加工中放大高功率納秒脈沖激光的示意圖，背景強(qiáng)調(diào)了T-YDF在提高高功率納秒脈沖激光放大器輸出光束質(zhì)量方面的優(yōu)化作用。T-YDF通過其縱向變化的芯包層結(jié)構(gòu)，有效抑制了高功率脈沖激光放大過程中的受激拉曼散射（SRS）和光束質(zhì)量的退化，可實(shí)現(xiàn)更高的功率和能量水平，以及更優(yōu)的光束質(zhì)量，有助于實(shí)現(xiàn)更小的激光聚焦角和更短的聚焦半徑，從而獲得更高的功率密度和加工質(zhì)量，拓展了納秒脈沖激光放大器的應(yīng)用范圍。

一、研究背景

摻鐿脈沖光纖激光器以其高功率、大能量等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在工業(yè)**、生物醫(yī)療等科學(xué)領(lǐng)域。隨著應(yīng)用范圍的不斷拓展，脈沖光纖激光器聚焦于實(shí)現(xiàn)更高的功率和能量以及更好的光束質(zhì)量。

目前，脈沖光纖激光器輸出功率的提升主要受限于放大自發(fā)輻射引起的寄生振蕩和高峰值功率引起的受激拉曼散射（SRS），采用大模場(chǎng)面積摻鐿光纖可以有效抑制SRS效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較高的功率與單脈沖能量，但較大的纖芯直徑可以傳輸較多的高階模式，導(dǎo)致光束質(zhì)量退化。國(guó)外已報(bào)道采用短錐實(shí)現(xiàn)了高峰值功率和高光束質(zhì)量的脈沖激光輸出，但采用空間光路耦合，光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜且短錐制備比較困難。此外，自由空間結(jié)構(gòu)或多路全光纖合束技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)納秒脈沖激光的有效方法，其輸出性能受限于單纖納秒脈沖激光性能。因此，提升單纖納秒脈沖激光輸出性能，抑制SRS效應(yīng)和光束質(zhì)量退化，研究用于高功率脈沖激光放大器的大芯徑錐形摻鐿光纖，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高平均功率、高單脈沖能量、高光束質(zhì)量的脈沖激光輸出具有重要意義。

二、創(chuàng)新工作

為了抑制高功率納秒脈沖光纖激光放大器中的SRS效應(yīng)和光束質(zhì)量退化，華中科技大學(xué)李進(jìn)延教授團(tuán)隊(duì)采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)，設(shè)計(jì)并制備了31/250 μm到62/500 μm單錐形摻鐿光纖（T-YDF），如圖1所示。

圖1 錐形光纖結(jié)構(gòu)示意圖

光纖總長(zhǎng)度為4 m，錐區(qū)長(zhǎng)度為1.5 m，62/500 μm尺寸均勻區(qū)長(zhǎng)度為2.5 m?；诖薚-YDF搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的納秒脈沖MOPA系統(tǒng)，通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)獲得了T-YDF在系統(tǒng)中的最佳輸出特性。在976 nm泵浦波長(zhǎng)，重復(fù)頻率100 kHz下，采用T-YDF實(shí)現(xiàn)了平均功率為832 W，單脈沖能量為8.32 mJ，峰值功率為24.8 kW，光束質(zhì)量Mx2=3.506，My2=3.465的納秒脈沖激光輸出，這是該平均功率和單脈沖能量水平下，光束質(zhì)量佳的單纖納秒脈沖激光輸出，為高功率納秒脈沖激光合束提供了一個(gè)新的單模塊實(shí)現(xiàn)方法。

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證T-YDF對(duì)納秒脈沖光纖激光放大器SRS和光束質(zhì)量退化的抑制效果，對(duì)比研究了自行研制的T-YDF與同一預(yù)制棒制備的纖芯/內(nèi)包層直徑分別為31/250 μm和50/400 μm的均勻摻鐿光纖的納秒脈沖激光性能。

采用同一預(yù)制棒制備的50/400 μm直徑均勻光纖在系統(tǒng)中進(jìn)行激光放大實(shí)驗(yàn)，最大輸出功率773 W時(shí)SRS抑制比約為44.3 dB，1030 nm附近出現(xiàn)微弱的寄生振蕩峰，最大功率的單脈沖能量為7.73 mJ，峰值功率為23.3 kW，光束質(zhì)量為Mx2=4.848，My2=4.744。采用同一預(yù)制棒制備的31/250 μm直徑均勻光纖在系統(tǒng)中進(jìn)行激光放大實(shí)驗(yàn)，最大輸出功率為372 W，對(duì)應(yīng)單脈沖能量3.72 mJ，峰值功率約為13 kW。在輸出功率達(dá)到124.2 W時(shí)光譜上出現(xiàn)SRS效應(yīng)，輸出功率達(dá)到372 W時(shí)信號(hào)光的SRS抑制比約為30 dB，功率的進(jìn)一步提升將導(dǎo)致SRS效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)。最大輸出功率下的光束質(zhì)量Mx2=2.57，My2=2.889。

對(duì)比50/400 μm直徑均勻光纖，T-YDF將SRS效應(yīng)出現(xiàn)的閾值功率提升了約31%，將光束質(zhì)量因子由4.8提升至3.5，展現(xiàn)了優(yōu)異的非線性抑制效果與光束質(zhì)量提升能力，與31/250 μm均勻光纖相比，T-YDF將系統(tǒng)最大輸出功率由372 W提升至835 W，光束質(zhì)量由2.7退化至3.5。

圖2 T-YDF與50/400 μm YDF輸出特性的對(duì)比。（a）最大輸出功率下的光譜；（b）不同輸出功率下的光束質(zhì)量因子；（c）50/400 μm YDF在最大輸出功率下的光束質(zhì)量因子；（d）T-YDF在最大輸出功率下的光束質(zhì)量因子

三、總結(jié)與展望

為了在相同條件下對(duì)比單錐形摻鐿光纖與直徑均勻光纖的納秒脈沖激光輸出特性，系統(tǒng)中主放大級(jí)有源光纖后熔接的包層光濾除器（CPS）與石英擴(kuò)束輸出頭（QBH）纖芯/內(nèi)包層直徑均為100/400 μm，尺寸不匹配光纖的熔接會(huì)導(dǎo)致光束質(zhì)量一定程度上的惡化，尺寸匹配的CPS與QBH將會(huì)進(jìn)一步提升輸出納秒脈沖激光的光束質(zhì)量。此外，單錐形摻鐿光纖的錐區(qū)長(zhǎng)度也會(huì)影響其激光性能。因此，后續(xù)可以繼續(xù)優(yōu)化單錐形摻鐿光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并探究錐區(qū)長(zhǎng)度對(duì)激光性能的影響。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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