圖.級聯(lián)泵浦光纖放大器結(jié)構(gòu)示意圖

近日，中科院西安光機所光子功能材料與器件研究室聯(lián)合清華大學精密儀器系，在高功率摻鐿光纖領域取得重要進展，相關(guān)成果以簡訊形式發(fā)表在《中國激光》。

高功率光纖激光器憑借結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量優(yōu)異、光-光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，在先進激光制造等領域的應用需求日益迫切。但隨著單纖激光功率不斷提升，熱效應、受激拉曼散射(SRS)等問題顯著加劇，導致能量損耗、光譜展寬、光束質(zhì)量下降，嚴重制約了光纖激光器功率的進一步提升。1018nm同帶泵浦技術(shù)具有亮度高、量子虧損小等優(yōu)點，但因鐿離子在該泵浦波長的吸收截面較低，需通過提升鐿離子摻雜濃度來抑制SRS效應，而高濃度摻雜會引發(fā)稀土離子團簇，增加光纖損耗與熱負載，從而給光纖設計和制備技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)。

針對上述難題，西安光機所特種石英光纖研究團隊采用高溫氣相沉積大芯徑光纖預制棒制備技術(shù)，實現(xiàn)了6mm以上大芯徑預制棒制備，成功研制出纖芯增益離子徑向梯度摻雜的Al-P-Si體系摻鐿(Yb-APS)光纖。

團隊通過多次薄層沉積協(xié)同調(diào)控增益與共摻離子分布，實現(xiàn)折射率剖面精細化調(diào)控;依托徑向梯度摻雜設計顯著降低纖芯中心的熱積累，有效平衡了泵浦吸收效率與熱負荷分布;通過多組分共摻的層間補償與勻化處理，精準調(diào)控鐿離子的局域配位環(huán)境與摻雜均勻性，成功制備了低損耗、高激光承載功率的48/400μm大模場高濃度摻鐿光纖。

測試數(shù)據(jù)顯示，基于該光纖搭建的級聯(lián)泵浦主振蕩功率放大系統(tǒng)，在23.03 kW@1018nm泵浦功率注入下，實現(xiàn)20.38 kW激光功率輸出，扣除殘余泵浦后擬合斜率效率高達87.1%，是目前同功率水平下國內(nèi)公開報道的最高效率。在最高輸出功率下，未觀測到SRS特征峰，拉曼抑制比達36.4dB。

圖.預制棒折射率分布、光纖端面及激光性能測試結(jié)果。(a)預制棒折射率分布和光纖端面;(b)輸出功率與泵浦功率之間的關(guān)系曲線;(c)20 kW功率下的激光光譜，插圖為激光光斑

此次突破攻克了20kW級單光纖高功率激光器中增益光纖熱管理與非線性效應協(xié)同抑制的技術(shù)瓶頸，為國產(chǎn)高功率摻鐿光纖的設計與制備提供了新的技術(shù)路徑，將有力推動我國高功率光纖激光技術(shù)在先進制造等關(guān)鍵領域的應用。

折勝飛介紹，“簡單來說，這解決了‘激光功率越高，光纖易燒、光束畸變、雜光增多’的行業(yè)難題，也是國產(chǎn)高功率激光核心材料的一次關(guān)鍵自主突破?！蔽磥?，團隊將持續(xù)深耕新結(jié)構(gòu)、新基質(zhì)、新?lián)诫s特種光纖的研發(fā)工作，不斷滿足激光領域?qū)Ω咝阅芴胤N光纖的多元化需求。

論文第一作者為西安光機所折勝飛副研究員，通訊作者為西安光機所侯超奇研究員，西安光機所為第一完成單位和通訊單位。團隊研究工作受到國家自然科學基金委葉企孫聯(lián)合基金、NSAF聯(lián)合基金等項目的資助。

審核編輯 黃宇