国防科技大学?光学工程学科专刊：LD泵浦高亮度光纤激光器：设计、仿真与实现（特邀）_技术资讯_资讯信息

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编者按

2023年，国防科技大学迎来了办学70周年。为推动创新驱动发展战略，全面展现国防科技大学光学工程学科建设发展的重要成果，中国光学工程学会会刊《红外与激光工程》在芙蓉迎夏的6月与国防科技大学联合出版“国防科技大学?光学工程学科专刊”，并特邀国防科技大学前沿交叉学科学院团队为专刊撰写“LD泵浦高亮度光纤激光器：设计、仿真与实现（特邀）” 研究论文，提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser，介绍了采用变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率实现的6~10kW高亮度功率光纤激光器，并提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。

撰稿人：王小林

论文题目：LD泵浦高亮度光纤激光器：设计、仿真与实现（特邀）

作者：王小林，王鹏，吴函烁，叶云，曾令筏，杨保来，奚小明，张汉伟，史尘，习锋杰，王泽锋，韩凯，周朴，许晓军，陈金宝

完成单位：国防科技大学前沿交叉学科学院；国防科技大学南湖之光实验室

导读

激光二极管（Laser Diode, LD）泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点，在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中，由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。然而，受到非线性效应和横向模式不稳定效应（TMI）的限制，当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。本文记述了国防科技大学高能激光团队王小林课题组为了突破当前高亮度激光器功率提升的技术瓶颈，实现高亮度光纤激光器功率进一步提升而提出的一系列方法举措。在高功率高亮度激光器设计方面，联合开发了国内首款具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。进一步，在传统抑制非线性效应和模式不稳定效应方案的基础上，提出并验证了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率的有效性。最后，对高功率激光器功率提升方案进行了展望，提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路，以及基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和一体化无源器件的高功率光纤激光器实现高亮度激光的可能方案。

研究背景

当前，我国光纤激光器在功率提升方面得到了长足的进步，实现了单纤 22 kW激光输出，但其光束质量距离实现单模输出还有较大差距，难以应用于新能源电池焊接等高精度要求的场合。在同时保持高功率、高光束质量的高亮度光纤激光器方面，我国与国外差距非常显著：早在2009年，美国IPG公司就推出了10 kW、M²~1.3的单模光纤激光器产品。截至2023年3月，我国尚没有一家公司推出功率大于6 kW、光束质量M²<2的高亮度光纤激光器工业产品，这将严重制约我国在前沿科研和高端制造领域的发展。为什么我国亮度光纤激光器输出功率严重落后？究其原因，除了由于起步较晚导致基础认知、材料工艺相对落后，还主要有两个方面的原因：一是理论方面，缺乏完善的理论指导和基于理论的原创性方案以突破技术瓶颈；二是设计方面，缺乏从科研到工业设计的桥梁——光纤激光仿真软件，使得科研成果难以快速地转换为工业产品。基于此，国防科技大学从光纤激光限制因素出发，开展基础理论研究，开发光纤激光仿真软件，提出成体系的光纤激光器性能提升方法，并开展系统的实验验证，为 LD 泵浦高亮度光纤激光器发展提供支撑。

主要内容

LD 泵浦光纤激光器设计与仿真

国防科技大学于 2014 年提出并联合中国科学院软件研究所开发了一款针对光纤激光系统的图像化数值仿真软件SeeFiberLaser。该软件基于相干激光多波耦合波方程、非相干速率方程、模式耦合方程、非线性薛定谔方程，能够对连续、脉冲光纤激光的产生、放大和传输进行仿真；仿真中，能够根据实际情况分类考虑放大自发辐射、受激拉曼散射（SRS）、受激布里渊散射等物理效应；仿真结束后，能够根据不同模型的需求，输出激光功率、时域、光谱、温度、上能级粒子数、横向模式等可视化的结果，为光纤激光理论学习、工程设计以及科学研究提供帮助。

图1 SeeFiberLaser软件官网（http://www.seefiberlaser.net/）

借助于该软件可以高效地开展光纤激光器的优化设计，下面介绍基于该软件开展的LD泵浦光纤激光器设计和仿真研究。

首先，从非线性效应与TMI兼顾抑制的理论出发，探索平衡二者的方法，利用SeeFiberLaser仿真软件及SeeFiberTool工具箱仿真验证了后向泵浦方案以及纺锤形光纤设计实现兼顾SRS和TMI抑制的可行性，并仿真验证了优化泵浦波长以降低热负载（减小量子亏损和/或泵浦光吸收系数）并增强增益饱和效应从而实现TMI阈值提升的有效性。

其次，基于自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser开展工业级光纤激光振荡器的仿真与优化，展示了SeeFiberLaser软件在单个因素（掺镱光纤长度、中心波长、光栅反射率、泵浦波长）对光纤激光器性能影响的分析能力以及激光器全局系统优化方面的能力，可以为光纤激光器的体系化优化设计提供便捷工具和指导，为科研和产业搭建桥梁。

进一步，以8-10 kW高亮度光纤激光放大器的优化设计为例，基于SeeFiberLaser系统仿真研究了掺镱光纤长度、掺镱光纤吸收系数、后向泵浦功率、输出传能光纤芯径以及长度对放大器功率提升性能的影响。仿真结果表明，在后向泵浦放大器中，掺镱光纤吸收系数越大，SRS 抑制能力越强，且掺镱光纤长度对SRS的影响弱于前向泵浦放大器；但是输出传能光纤长度和纤芯直径都对SRS影响比较大，对于高功率光纤激光的设计具有参考价值。进一步的仿真分析结果表明，采用 25/600 μm一类的小纤芯包层直径比光纤，在泵浦吸收系数为 0.6 dB/m、光纤长度为 30 m 时，有望实现 8 kW 的近单模激光输出。

LD 泵浦高亮度光纤激光器的实现与展望

在前述仿真分析的基础上，开展了一系列的LD泵浦高亮度光纤激光器实验验证工作。

首先，通过设计双向泵浦放大器实验，验证泵浦波长和泵浦方向对TMI阈值的影响。该激光器中，种子激光中心波长为 1080 nm，输出功率为 100 W，放大器中掺镱光纤纤芯/包层直径为 25/400 μm、纤芯数值孔径为 0.06、长度为 30 m，在 915 nm 处的吸收系数为 0.56 dB/m，实验结果归纳如下表1所示，结果表明，后向泵浦 TMI 阈值可达到前向泵浦TMI 阈值的 1.4 倍以上；981 nm 后向泵浦 TMI 阈值可达 976 nm 后向泵浦 TMI 阈值的 2.24 倍。该实验同时验证了后向泵浦和泵浦波长优化提升TMI阈值的能力。进一步，基于泵浦优化的方法，利用 981 nm 泵浦实现了5 kW 的单模光纤振荡器和 6 kW的单模光纤放大器。

表1. 不同波长泵浦时光纤激光器输出特性实验结果

在上述验证工作的基础上，开展了高亮度激光器功率提升研究。首先，研究基于振荡放大一体化方案的功率提升方案，结构示意图如图2所示。实验中采用双向泵浦方案，振荡部分掺镱光纤为纤芯/包层直径为 22/400 μm 的掺镱光纤，吸收系数为 0.54 dB/m@915 nm；放大部分增益光纤为纤芯/包层直径为 25/400 μm 的掺镱光纤，吸收系数为 0.56 dB/m@915 nm。通过优化泵浦光波长、前向和后向泵浦功率配比、振荡部分和放大部分增益光纤长度等实现了6 kW级高亮度激光输出，最高功率时光束质量为M²_x=1.69，M²_y=1.48，拉曼抑制比为~18.7 dB，结果如图3所示。该激光器输出功率主要受限于 SRS，若能进一步提升后向泵浦功率，输出功率可进一步提升。

图2 LD泵浦振荡放大一体化光纤激光器实验结构

图3 振荡放大一体化激光器实验结果。(a) 功率效率特性；(b) 不同功率的光谱；(c) 光束质量

进一步，基于主振荡功率放大结构，放大器采用40 m长的纤芯/包层直径为30/600 μm的掺镱光纤，该光纤在 915 nm 处的吸收系数约为 0.4 dB/m，通过采用981 nm LD进行后向泵浦，结合光纤弯曲半径优化，实现了7 kW高亮度激光输出，最高功率下光束质量为M²~1.93，结果如图4所示。此时输出功率主要受限于泵浦功率，通过增加泵浦功率和进一步优化泵浦波长，有望获得更高功率的激光输出。

图4 LD 后向泵浦的高光束质量光纤激光器。(a) 功率效率；(b) 不同功率的输出光谱；(c ) 光束质量

进一步，在前述仿真的基础上，基于小纤芯包层直径比掺镱光纤搭建主振荡功率放大结构激光器，掺镱光纤的纤芯/内包层直径分别为27/600 μm，纤芯数值孔径 0.059，吸收系数为0.27 dB/m@915 nm。采用中心波长为 982 nm的非稳波长LD进行后向泵浦，实现了10 kW激光输出，最高功率下未出现明显的拉曼光成分，此时光束质量为M²~2.15，实验结果如图5所示。后续通过定制匹配的传能光纤和器件，优化光纤弯曲，有望实现更高光束质量的激光输出。

图5 基于 27/600 μm 光纤的高功率光纤放大器的实验结果。(a) 功率效率；(b) 不同功率的光谱；(c) 光束质量

最后，对更高亮度光纤激光器的设计方法和技术方案进行讨论和展望。在已有平衡非线性和模式不稳定性效应各种方法的基础上，提出无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路，提出基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和一体化无源器件的高功率光纤激光器实现高亮度激光的可能方案。后续将考虑探索掺镱传能一体化光纤的原理工艺，研究基于增益传能一体化光纤和集成化无源器件的高功率光纤激光器。

研究前景与展望

LD 泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点，在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。光纤激光器的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标，亮度提升的关键则是提高激光功率和光束质量。经过多年的实践和思考，笔者课题组在提升近单模光纤激光器亮度方面提出了成体系的方法并取得了一定的进展，进一步的思考和展望在汇总如下:

(1) 激光器结构优化：采用振荡放大器一体化结构提高激光器的稳定性和TMI 阈值；采用增益谐振一体化结构减少熔接点消除熔点损耗和高阶模式激发以提升激光功率和光束质量；采用后向泵浦方式同时提升 SRS 和 TMI 阈值，以提升激光功率，保持光束质量。

(2) 掺镱光纤优化：采用变纤芯直径的增益传能一体化光纤提升功率和光束质量，从物理层面通过纤芯直径渐变来平衡 TMI 和 SRS 以提升激光功率；在工艺层面通过消除熔点损耗和高阶模式激发以提升激光功率和光束质量。在实际设计过程中，重点要对掺镱光纤的横向纵向参数进行优化设计，包括横截面纤芯/包层几何形态、纤芯/包层直径、包层数量，纤芯掺杂分布、折射率分布、数值孔径、吸收发射截面，纵向的不同位置纤芯直径、包层直径、吸收系数等；然后根据设计要求进行精密的工艺控制。

(3) 泵浦源优化：通过泵浦波长长波化和泵浦亮度提升，来提高激光器 TMI 阈值和功率；通过泵浦熔点最小化，减少熔接点损耗，提高激光器效率和功率。

(4) 无源器件优化：采用集成化无源器件，缩短传能光纤长度以提升 SRS 阈值，减少熔接点数量以提升激光功率。

需要说明的是，光纤激光器的设计对于工艺依赖较强，上述提升亮度的方法，需要根据实际应用需求进行设计，如果在工艺受限的情况下，综合应用多种方法有可能突破传统技术方案的功率限制，实现高亮度激光功率的进一步提升。

团队简介

国防科技大学前沿交叉学科学院光纤激光研究课题组主要从事大功率光纤激光器的前沿基础理论、数值仿真设计、特种光纤器件研制、大功率光纤激光器研发等工作。在前沿基础理论方面，主要开展光纤激光器非线性效应和模式不稳定效应的产生机理、抑制方法研究。在数值仿真设计方面，基于基础理论研究成果，联合合作单位开发国内首套光纤激光仿真软件SeeFiberLaser，用于光纤激光器的仿真和设计；在关键器件研制方面，主要开展特种有源无源光纤、光纤光栅、合束器、包层光滤除器、光纤端帽等器件的设计与研发；在激光器研发方面，主要开展连续和脉冲体制的大功率光纤激光振荡器、光纤激光放大器和新型光纤激光器的设计与研发。

文章信息

王小林, 王鹏, 吴函烁, 叶云, 曾令筏, 杨保来, 奚小明, 张汉伟, 史尘, 习锋杰, 王泽锋, 韩凯, 周朴, 许晓军, 陈金宝. LD泵浦高亮度光纤激光器：设计、仿真与实现（特邀）[J]. 红外与激光工程, 2023, 52(6): 20230242. doi: 10.3788/IRLA20230242

全文链接：http://irla.cn/cn/article/doi/10.3788/IRLA20230242（阅读原文）

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