掺镱光纤激光器具有结构紧凑、电光效率高、热管理方便等优势，广泛应用于先进制造、材料处理等领域。使用1018 nm光纤激光对掺镱光纤(Yb-doped fiber, YDF)进行级联泵浦是目前获得万瓦级高光束质量光纤激光的主要技术方案之一。利用该方案，美国IPG Photonics公司于2009年研制出10 kW单模掺镱光纤激光器。根据公开发表的文献，迄今尚还未有第二家单位实现10 kW级M2<2的高光束质量光纤激光。如何在常规双包层YDF中实现高功率、高光束质量的激光输出具有较大技术挑战，也是高功率光纤学科方向的研究热点。
近期，在国家重点研发计划项目（2022YFB3606000）支持下，国防科技大学研究团队突破高模式不稳定阈值大模场双包层YDF制备技术，综合采用后向泵浦、种子激光拉曼滤波、增益光纤弯曲直径优化、输出传能光纤长度优化等方式，有效提升了级联泵浦光纤激光器的模式不稳定效应阈值和非线性效应阈值，实现了输出功率10 kW，光束质量因子M2=1.92光纤激光输出。
级联泵浦光纤激光系统设计
激光器系统结构示意图如图1所示，1080 nm种子激光经倾斜光栅(Chirped and tilted fiber Bragg grating, CTFBG)、模式适配器(Mode field adaptor, MFA)和包层光滤除器(Cladding light Stripper, CLS 1)后进入YDF。YDF纤芯直径和数值孔径分别为30 μm和0.06，内包层直径和数值孔径分别为250 μm和0.46，泵浦光吸收系数约为0.4 dB/m@1018nm，YDF长度约38 m。1018 nm泵浦激光通过(6+1)×1后向泵浦信号合束器(Backward pump and signal combiner, BPSC)注入YDF。放大后的信号光经包层光滤除器(CLS 2)和端帽(Quartz block holder, QBH)输出。为实时监测激光器特性，输出激光经准直器(Collimator, CO)后由反射率大于99.99%的高反镜(Highly reflective mirror, HRM)进行分束。微弱的透射光进入光束质量仪(Laser quality monitor , LQM)，反射的高功率激光经进入功率计，散射光进入光谱仪(Optical spectrum analyzer, OSA)和光电探测器(Photodetector, PD)。
图1 10 kW级联泵浦光纤激光系统结构图
实验结果
本工作在前期研究（Optics Express 31, 24423-24436 (2023)）的基础上，进一步优化了光纤的盘绕方式，通过调控模间竞争实现了对高阶模功率放大的有效抑制，有效提升了模式不稳定阈值，保证了功率提升全过程中的高光束质量。此外，针对输出尾纤(图1中A至B点)中的激光功率密度极高的情况，当激光器输出尾纤为1.5 m时，输出功率为10.03 kW，光谱中仍未出现明显的拉曼特征峰，实现了受激拉曼效应的有效抑制。
图2(a)所示为10 kW级激光器的功率曲线，最大输出激光功率达到10.03 kW，激光器光光转换效率为79.6%。图2(b)所示为激光器的功率稳定性测试结果，200秒测试时间内，满功率运行的激光器功率波动为~0.7%，表明激光器具有良好的功率稳定性。图2(c)所示为不同功率下的光束质量，最高功率10.03 kW时M2=1.92。图2(d) 所示的激光器时序及频谱表明系统未出现模式不稳定现象。该激光器输出功率进一步提升仅受限于可用泵浦功率。
图2 光纤激光器输出特性。(a)输出功率随泵浦功率的变化；(b)输出功率10.03 kW时的功率波动测试结果；(c)不同输出功率下的光束质量；(d)最高输出功率下的时序和傅里叶变换频谱
总结与展望
该工作利用自主研发的高模式不稳定阈值大模场双包层掺镱光纤，基于级联泵浦方案，实现了单纤万瓦高光束质量光纤激光输出，验证了自研大模场双包层光纤具有支撑万瓦级高光束质量激光的产生和放大能力，可为更高功率输出的单模光纤激光器的设计和研制提供参考。研究团队下一步将聚焦光纤设计、非线性效应抑制和模式控制方法研究，通过优化光纤折射率分布、纤芯/包层尺寸、光纤弯曲直径等方式，实现输出功率和光束质量的进一步提升。
