【资讯】自研光纤实现万瓦近单模高可靠性输出

2026-06-22 17:57:57

基于激光二极管（LD）泵浦的光纤激光器，凭借结构紧凑、转换效率高、热管理便捷等显著优势，已在工业加工、**安全等关键领域得到广泛应用。然而，受非线性效应、横向模式不稳定（TMI）效应等因素制约，近单模光纤激光的功率提升遭遇显著瓶颈。更为严峻的是，受光子暗化效应等因素影响，光纤激光器在高功率工况下的长期运行稳定性仍面临巨大考验。尽管近年来国内外研究机构在激光功率提升与光束质量优化方面相继取得重要突破，但关于其可靠性的系统性研究尚未见报道。因此，实现高可靠性、高功率近单模激光输出，已成为当前该领域亟待突破的关键科学与技术难题。

实验系统采用后向泵浦主振荡功率放大（MOPA）结构，以中心波长为1080 nm的光纤振荡器作为种子源。在种子源与放大级之间，接入倾斜光栅（CTFBG）以滤除信号激光中的拉曼光成分，并采用包层光滤除器（CPS）滤除剩余泵浦光。放大级所用增益光纤为自研部分掺杂光纤，其纤芯采用低数值孔径设计，有效模场面积约为500 μm²，掺杂面积比例约为0.5；泵浦源选用981 nm稳波长LD。为保持激光器的近单模输出特性，在放大系统中综合集成了光纤弯曲选模、熔接工艺优化及无源器件模式匹配改进等技术手段，实现对光纤模式的协同控制。实验原理图如图1所示。

图1 实验原理图（CTFBG：倾斜光栅；CPS：包层光滤除器；YDF：掺镱光纤；B-PSC：后向合束器；LD：激光二极管；QBH：石英输出头；HR：高反镜；BE：扩束镜；PD：光电探测器；PM：功率计；OF：滤波片；BQA：光束质量分析仪）

为验证激光器的实际性能，研究团队委托第三方测试机构开展了测试，相关实验结果如图2所示。

高输出功率：随着泵浦功率提升，激光输出功率呈线性增长，当泵浦功率达到12.20 kW时，最大输出功率可达10.32 kW，能量转换的斜率效率约84.6%，如图2（a）所示。

高光束质量：在10.32 kW的最高输出功率下，光束质量M²因子约为1.48，实现近单模输出，如图2（a）所示。

高功率提升潜力：在最高功率下，受激拉曼散射抑制比约38.46 dB（见图2（b）），且未出现TMI效应（见图2（c）），进一步功率提升受限于可用泵浦功率。

高可靠性：在8.1 kW的输出功率下，激光器连续稳定运行10.2 小时，功率不稳定度仅为0.68%，未出现性能衰减，如图2（d）所示，充分验证了其高可靠性。

图2 实验结果。（a）输出功率随泵浦功率的变化。插图：10.32 kW输出功率时束腰处光斑截图及光束质量；（b）10.32 kW时输出光谱图；（c）10.32 kW输出时的时域信号及FFT变换频谱图；（d）输出功率~8.1 kW连续10.2 小时功率变化图

该工作利用自主研发的部分掺杂光纤，基于LD泵浦MOPA结构，实现了输出功率10.32 kW、光束质量M²=1.48的近单模激光输出，并通过10.2小时＞8 kW连续运行测试，系统性验证了万瓦级近单模光纤激光的长期运行稳定性，功率不稳定度仅为0.68%。

该成果不仅突破了高功率近单模激光的可靠性瓶颈，更为实际工业应用提供了关键的技术支撑。研究团队下一步将精准优化光纤参数（如掺杂浓度分布、折射率剖面、有效模场面积等），并同步提升无源光纤器件的适配性能，有望进一步提高近单模激光器的输出功率和长期稳定性。

参考文献： 中国光学期刊网

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