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(jī)所光子功能材料與器件研究室聯(lián)合清華大學(xué)精密儀器系，在高功率摻鐿光纖領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(jìn)激光制造等領(lǐng)域的應(yīng)用需求日益迫切。但隨著單纖激光功率不斷提升，熱效應(yīng)、受激拉曼散射(SRS)等問題顯著加劇，導(dǎo)致能量損耗、光譜展寬、光束質(zhì)量下降，嚴(yán)重制約了光纖激光器功率的進(jìn)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(diǎn)，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(yīng)，而高濃度摻雜會引發(fā)稀土離子團(tuán)簇，增加光纖損耗與熱負(fù)載，從而給光纖設(shè)計(jì)和制備技術(shù)帶來極大挑戰(zhàn)。

針對上述難題，西安光機(jī)所特種石英光纖研究團(tuán)隊(duì)采用高溫氣相沉積大芯徑光纖預(yù)制棒制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了6mm以上大芯徑預(yù)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(tuán)隊(duì)通過多次薄層沉積協(xié)同調(diào)控增益與共摻離子分布，實(shí)現(xiàn)折射率剖面精細(xì)化調(diào)控;依托徑向梯度摻雜設(shè)計(jì)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(fù)荷分布;通過多組分共摻的層間補(bǔ)償與勻化處理，精準(zhǔn)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(shí)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(dá)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(dá)36.4dB。

圖.預(yù)制棒折射率分布、光纖端面及激光性能測試結(jié)果。(a)預(yù)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(yīng)協(xié)同抑制的技術(shù)瓶頸，為國產(chǎn)高功率摻鐿光纖的設(shè)計(jì)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(jìn)制造等關(guān)鍵領(lǐng)域的應(yīng)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?！蔽磥恚瑘F(tuán)隊(duì)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(lǐng)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(jī)所折勝飛副研究員，通訊作者為西安光機(jī)所侯超奇研究員，西安光機(jī)所為第一完成單位和通訊單位。團(tuán)隊(duì)研究工作受到國家自然科學(xué)基金委葉企孫聯(lián)合基金、NSAF聯(lián)合基金等項(xiàng)目的資助。

審核編輯 黃宇