西安光机所在高功率掺镱光纤领域取得重要进展

图.级联泵浦光纤放大器结构示意图

近日，中科院西安光机所光子功能材料与器件研究室联合清华大学精密仪器系，在高功率掺镱光纤领域取得重要进展，相关成果以简讯形式发表在《中国激光》。

高功率光纤激光器凭借结构紧凑、光束质量优异、光-光转换效率高等优势，在先进激光制造等领域的应用需求日益迫切。但随着单纤激光功率不断提升，热效应、受激拉曼散射(SRS)等问题显著加剧，导致能量损耗、光谱展宽、光束质量下降，严重制约了光纤激光器功率的进一步提升。1018nm同带泵浦技术具有亮度高、量子亏损小等优点，但因镱离子在该泵浦波长的吸收截面较低，需通过提升镱离子掺杂浓度来抑制SRS效应，而高浓度掺杂会引发稀土离子团簇，增加光纤损耗与热负载，从而给光纤设计和制备技术带来极大挑战。

针对上述难题，西安光机所特种石英光纤研究团队采用高温气相沉积大芯径光纤预制棒制备技术，实现了6mm以上大芯径预制棒制备，成功研制出纤芯增益离子径向梯度掺杂的Al-P-Si体系掺镱(Yb-APS)光纤。

团队通过多次薄层沉积协同调控增益与共掺离子分布，实现折射率剖面精细化调控;依托径向梯度掺杂设计显著降低纤芯中心的热积累，有效平衡了泵浦吸收效率与热负荷分布;通过多组分共掺的层间补偿与匀化处理，精准调控镱离子的局域配位环境与掺杂均匀性，成功制备了低损耗、高激光承载功率的48/400μm大模场高浓度掺镱光纤。

测试数据显示，基于该光纤搭建的级联泵浦主振荡功率放大系统，在23.03 kW@1018nm泵浦功率注入下，实现20.38 kW激光功率输出，扣除残余泵浦后拟合斜率效率高达87.1%，是目前同功率水平下国内公开报道的最高效率。在最高输出功率下，未观测到SRS特征峰，拉曼抑制比达36.4dB。

图.预制棒折射率分布、光纤端面及激光性能测试结果。(a)预制棒折射率分布和光纤端面;(b)输出功率与泵浦功率之间的关系曲线;(c)20 kW功率下的激光光谱，插图为激光光斑

此次突破攻克了20kW级单光纤高功率激光器中增益光纤热管理与非线性效应协同抑制的技术瓶颈，为国产高功率掺镱光纤的设计与制备提供了新的技术路径，将有力推动我国高功率光纤激光技术在先进制造等关键领域的应用。

折胜飞介绍，“简单来说，这解决了‘激光功率越高，光纤易烧、光束畸变、杂光增多’的行业难题，也是国产高功率激光核心材料的一次关键自主突破。”未来，团队将持续深耕新结构、新基质、新掺杂特种光纤的研发工作，不断满足激光领域对高性能特种光纤的多元化需求。

论文第一作者为西安光机所折胜飞副研究员，通讯作者为西安光机所侯超奇研究员，西安光机所为第一完成单位和通讯单位。团队研究工作受到国家自然科学基金委叶企孙联合基金、NSAF联合基金等项目的资助。