【资讯】光纤芯里“藏玄机”！部分掺杂光纤破解近单模激光功率提升难题

 激光光纤作为光纤激光器的"芯片"，直接决定了系统的极限输出能力。近年来，部分掺杂光纤凭借结构简单、与常规无源器件适配性好的特点，成为解决上述矛盾的最具潜力方案之一。其基本原理是增益裁剪效应：将镱离子仅掺杂在纤芯中心区域，让光场集中在中心的基模获得高增益，而光场偏向纤芯外围的高阶模因与增益区重叠度低、从而被有效抑制。

理论设计：精准量化参数，破解TMI与非线性效应协同抑制难题

建立了基于频移假设的多模光纤传输数值仿真模型，首次从静态模式退化和动态TMI两个维度，系统分析了泵浦波长和纤芯相对掺杂比例对激光器性能的影响：

• 泵浦波长优选：对比915 nm、976 nm、981 nm三种泵浦波长，发现当纤芯相对掺杂比例为0.8时，981 nm 泵浦的吸收效率与全掺杂结构下915 nm泵浦持平，且TMI阈值反超915 nm，同时避免了915 nm泵浦所需光纤过长导致的SRS阈值下降问题，确定981 nm为较优泵浦波长。

• 最优掺杂比例确定：综合TMI抑制、光束质量和泵浦吸收效率三重约束，最终选定相对掺杂比例约0.73的30/600 μm光纤作为设计目标——该参数下TMI阈值超过8 kW，可实现稳定的近衍射极限输出。

可控制备：突破工艺瓶颈，实现掺杂分布精准调控

针对部分掺杂光纤制备中“掺杂区域精准控制难、低NA与平坦折射率分布难以兼顾”的痛点，采用改进的化学气相沉积(MCVD)技术结合螯合物气相掺杂法，攻克了多项关键工艺难题，制备出纤芯直径30.09 μm，内包层对边直径600.45 μm的部分掺杂光纤，981 nm处吸收系数0.47 dB/m，1200 nm处传输损耗仅4.3 dB/km；采用折射率轮廓仪测得纤芯直径约为29.93um，与光纤截面图测量结果基本一致；采用电子探针显微分析技术测得镱离子有效掺杂区直径约为21.87um，相对掺杂比例73.07%，关键参数与设计值吻合，表明了较好的可控制备能力。

图1 部分掺杂光纤表征。（a）光纤截面图；（b）纤芯折射率分布及Yb3+掺杂表征结果

 应用验证：实现高亮度激光输出，实现LD泵浦部分掺杂光纤性能新高度

基于自研光纤，搭建了981 nm LD后向泵浦主振荡功率放大系统，并通过模式纯化设计、弯曲损耗优化等手段进一步提升输出性能：

• 输出功率：当泵浦功率达到10.82 kW时，实现9.13 kW高亮度激光输出，光-光转换效率高达84.25%；（图2（a））

 • 非线性抑制：最高功率下拉曼抑制比达32.6 dB，有效抑制了SRS效应；（图2（b））

 • 光束质量：在8.12 kW输出功率下保持近单模输出（M²≈1.45），最高功率9.13 kW时，光束质量因子为M²≈1.62；（图2（c））

 • 运行稳定性：在8.12 kW输出功率下连续运行10分钟功率不稳定度仅为0.71%，展现出较高可靠性。（图2（d））

图2 输出激光性能表征。（a）输出功率及效率；（b）最高输出功率下光谱；（c）光束质量因子演化情况（插图：最高功率下光斑）；（d）8.12 kW拷机10min结果

此前已有级联泵浦部分掺杂光纤实现万瓦级激光输出的报道。作为工业应用的主流方案，半导体激光（LD）直接泵浦激光光纤方案量子亏损相对更大、热负载更剧烈，致使TMI阈值低，功率提升速度滞后于级联泵浦方案。此前，LD泵浦部分掺杂光纤激光器的最高输出功率已突破6kW，但系统研究尚不深入。

参考文献： 中国光学期刊网

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