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。
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。
图1 20 kW光纤激光器结构示意图
图2 激光输出功率及测试结果
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。
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。
