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、大能量等特點被廣泛應(yīng)用在工業(yè)**、生物醫(yī)療等科學領(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），采用大模場面積摻鐿光纖可以有效抑制SRS效應(yīng)，實現(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，導致光束質(zhì)量退化。國外已報道采用短錐實現(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)也是實現(xiàn)千瓦級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，同時實現(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，華中科技大學李進延教授團隊采用改進的化學氣相沉積工藝結(jié)合溶液摻雜技術(shù)，設(shè)計并制備了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

光纖總長度為4 m，錐區(qū)長度為1.5 m，62/500 μm尺寸均勻區(qū)長度為2.5 m。基于此T-YDF搭建了全光纖結(jié)構(gòu)的納秒脈沖MOPA系統(tǒng)，通過優(yōu)化實驗獲得了T-YDF在系統(tǒng)中的最佳輸出特性。在976 nm泵浦波長，重復頻率100 kHz下，采用T-YDF實現(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新的單模塊實現(xiàn)方法。

為了實驗驗證T-YDF對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)中進行激光放大實驗，最大輸出功率773 W時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)中進行激光放大實驗，最大輸出功率為372 W，對應(yīng)單脈沖能量3.72 mJ，峰值功率約為13 kW。在輸出功率達到124.2 W時光譜上出現(xiàn)SRS效應(yīng)，輸出功率達到372 W時信號光的SRS抑制比約為30 dB，功率的進一步提升將導致SRS效應(yīng)進一步增強。最大輸出功率下的光束質(zhì)量Mx2=2.57，My2=2.889。

對比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)中主放大級有源光纖后熔接的包層光濾除器（CPS）與石英擴束輸出頭（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導致光束質(zhì)量一定程度上的惡化，尺寸匹配的CPS與QBH將會進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)長度也會影響其激光性能。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)長度對激光性能的影響。

參考文獻： 中國光學期刊網(wǎng)

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