背景介紹

脈沖光纖激光器在激光標記、激光加工、激光切割等工業領域發揮著不可替代的作用。

隨著人們越來越關注時間成本，高效激光器勢在必行，這對激光器的功率或脈沖能量提出了更高的要求。在實現高功率脈沖的過程中，許多挑戰通常如圖1所示。與高功率連續激光器中的受激拉曼散射相比（SRS）模式不穩定（TMI），高功率脈沖激光器的限制主要在于高增益引起的自發輻射放大（ASE），高功率脈沖系統對寄生振蕩和短光纖高吸收引起的光纖損傷提出了更嚴格的要求。

圖1. 高功率脈沖光纖激光器的限制及相關因素

創新研究

針對上述高功率放大問題，華中科技大學武漢光電國家研究中心光纖激光技術團隊李金燕教授提出了通過剖面設計和摻雜成分優化結合液相的摻雜和混合MCVD通過對光纖和系統的雙重優化，技術自主研發的模場有源光纖實現了基于國產光纖的千瓦脈沖輸出。

我們設計并制備了從種子級到二級放大的各級有源光纖10/130 μm，30/250 μm，100/400 μm型號光纖(Al)，磷(P)光纖數值的孔徑(NA)以及折射率剖面的形狀，高摻量的(Yb)提高光纖吸收。P對于Yb吸收發射截面影響很大，Al，P對于四面體結構NA除了控制之外，控制還起著非常重要的作用Al、P、Yb，氟(F)其它摻雜物對折射率剖面也有影響。

圖2. MOPA結構示意圖

整個實驗MOPA結構如圖2所示。優化各級注入功率、光纖長度、光纖彎曲等參數ASE削弱和改善光纖發熱問題，實現激光穩定運行時的高功率、高能脈沖輸出。基于上述系統，60kHz條件下實現了較高1050 W脈沖激光輸出，脈沖寬度為260 ns，單脈沖能量16.7 mJ，峰值功率 ** kW。系統采用915 nm效率約72%的泵浦。實驗結果如圖3所示。

圖3. (a)時域脈沖序列和單脈沖波形 (b)頻域脈沖光譜 (c)脈沖功率曲線

結 論

對于放大系統，通過實驗發現主放大級前注入主放大級ASE產生閾值的影響很大。在相同的功率下，注入放大級光譜激光和ASE信噪比越好，放大級寄生振蕩的閾值越高；同樣，在相同的光譜信噪比下，隨著注入功率的增加，寄生振蕩閾值也會增加。然而，相同的光纖功率和光譜信噪比本身是一對相互限制的因素，因此需要根據系統進行合理的選擇，以獲得符合設計要求的較佳參數。

此外，主放大級使用的光纖長度也是正確的ASE尖峰產生閾值，可歸因于光纖再吸收效應。最后，我們發現適當的光纖彎曲和冷卻方法對改善光纖損傷有很大的影響。

從光譜和功率曲線來看，千瓦時沒有非線性SRS同時，功率呈線性增長，這意味著有源光纖仍有進一步擴大的潛力。本實驗的功率僅限于合束器泵臂所能承受的功率。

課題組

介紹

光纖激光技術團隊（FLTG）隸屬于華中科技大學武漢光電國家研究中心，致力于高功率激光纖、寬帶放大光纖、保偏光纖、多芯光纖、光子晶體光纖等方向。團隊負責人李金燕教授及其團隊成員在相關領域有多年的科研經驗。團隊擁有先進的光纖設備和測試設備、千瓦脈沖激光平臺、10 kW光纖激光測試和寬帶光纖放大平臺。近年來，該團隊在相關領域獲得了20多個國家項目、200多篇論文和20多項授權專利。我們真誠歡迎與國內外科研機構、科研團隊和相關企業進行廣泛、密切的合作。