变纤芯直径掺镱光纤激光器：现状与趋势

来源：王小林, 文榆钧, 张汉伟, 奚小明, 史尘, 杨保来, 王鹏, 潘志勇, 王泽锋,  许晓, 陈金宝. 变纤芯直径掺镱光纤激光器：现状与趋势. 中国激光, 2022, 49(21): 7-35.

 

仅供行业交流学习之用，感谢分享！

摘要

为了抑制高功率光纤激光器中的非线性效应，纤芯直径沿着长度方向变化的增益光纤(简称变纤芯直径增益光纤)常被作为激光器的增益介质。变纤芯直径增益光纤主要包括单锥形光纤、纺锤形光纤和马鞍形光纤等，该类光纤同时具有光束质量保持和模式不稳定效应抑制的能力，在高功率光纤激光器中有着广泛的应用前景。近年来，利用单锥形光纤已经实现了峰值功率为97 MW的飞秒脉冲激光，利用纺锤形光纤已经实现了功率为5 kW的连续激光。介绍了变纤芯直径增益光纤的优点和制作方法，对变纤芯掺镱单频/窄线宽光纤激光器、脉冲光纤激光器和高功率连续宽谱光纤激光器的发展现状进行了详细介绍，分析了变纤芯直径掺镱光纤激光器的发展趋势及其支撑万瓦级高功率连续激光输出的可行性。研究结果为高功率光纤激光器的发展提供了参考。

以下主要摘录了文章引言的内容，想要获取原文，请按下面提示操作。

高功率掺镱光纤激光器在工业加工、材料处理、国防科研等各个领域都有着广泛的应用[1-3]。在光纤激光器功率提升过程中，包括受激拉曼散射(SRS)、受激布里渊散射(SBS)在内的非线性效应和模式不稳定(TMI)效应是最主要的限制因素[4-6]。为了抑制非线性效应和TMI效应，除了对激光器结构(如泵浦波长、泵浦方式、种子功率等)进行优化外，研究人员重点对增益光纤的特性进行优化，一方面对增益光纤横截面参数，如纤芯直径、纤芯/包层几何形态、纤芯掺杂区域、纤芯折射率分布等进行优化，另一方面对增益光纤的纵向参数进行优化，其中最为常见的就是纤芯直径沿着长度方向变化的增益光纤(简称变纤芯直径增益光纤)。

在纤芯/包层几何形态控制中，大模场面积光子晶体光纤、手性耦合纤芯(3C)光纤是除了普通阶跃折射率光纤之外应用较为广泛的两种光纤。其中，大模场面积光子晶体光纤具有单模模场面积大、泵浦吸收系数高等优点，可以通过结构设计实现特殊波长的产生和抑制，在高功率激光器尤其是脉冲激光器中有着广泛的应用，但与其结构匹配的无源器件尚不太成熟，目前主要用于空间结构的光纤激光器中。

3C光纤通过外围螺旋的纤芯滤除激光中的高阶模式，能够实现较大模场的单模激光输出，目前已经实现输出功率大于2 kW的光纤激光器，在高功率光纤激光器中有着非常诱人的应用前景。由于3C光纤需要特殊的制备工艺，目前国际上只有少数几个单位开展了研究，大规模的工业化推广有待制备工艺的完善和匹配无源器件的发展。

在诸多变纤芯直径光纤中，单锥形光纤作为常见的一种，在光纤激光领域的早期被提出主要是为了滤除模式[7]、提高非线性阈值[8]。锥形增益光纤在高功率激光领域中主要是被用于解决泵浦源亮度问题[9]，之后主要被应用于脉冲激光领域[10-12]。随着研究的深入，研究人员发现单锥形增益光纤具有良好的光束质量保持特性[13-14]、一定的模式不稳定抑制效果[15-16]和放大器自发辐射(ASE)抑制效果[17]。近年来，随着光纤制作工艺的成熟和连续激光的发展，基于普通单锥形光纤演变而来的纺锤形光纤、马鞍形光纤也得到了广泛的研究。本文将单锥形光纤、纺锤形光纤、马鞍形光纤统称为变纤芯直径光纤。

需要指出的是，与传统的锥形光纤不同，本文提到的变纤芯直径增益光纤是纤芯变化长度在米量级以上的掺稀土离子增益光纤。普通的锥形传能光纤有两类，一种是锥区长度在10 cm以内的短锥形光纤，一般是通过采用拉锥机对普通的纤芯直径均匀的传能光纤进行短距离拉锥来实现制作的；另一类是锥区长度大于10 cm以上的长锥形光纤，一般是通过预制棒制作或拉丝设备拉制来实现。

目前，国内外研究单位对短锥传能光纤的研究较多。基于拉锥技术，可研制合束器[18-21]、耦合器[22]、锥形光纤光栅[23-25]等无源器件。通过拉锥来减小光纤直径，可实现低的非线性阈值，因此锥形传能光纤在激光器的谐波产生[26]、激光波长调谐[27-28]、多波长激光[29-31]、光学频率梳[32-34]、超连续谱产生[35-38]、脉冲压缩[39]等领域有着非常广泛的应用。锥形光纤的纤芯直径沿着长度方向的变化带来了传统光纤所不具备的诸多优点，还使得锥形光纤在非激光器的其他领域如光束耦合[40-43]、波长开关[44-45]、光学成像[46-48]、模式控制[49-52]、激光传感[53-58]、激光通信[59-62]、激光医疗[63-64]、激光光镊[65-68]等中都有着非常广泛的应用。

本文的研究对象是变纤芯直径增益光纤激光器，重点是基于掺镱离子的变纤芯直径增益光纤激光器。首先对变纤芯直径掺镱光纤的主要优点与制作方法进行简单介绍，然后详细介绍了变纤芯直径掺镱单频/窄线宽光纤激光器、脉冲光纤激光器和高功率连续宽谱光纤激光器的发展现状，最后分析了变纤芯直径掺镱光纤激光器的发展趋势和变纤芯直径增益光纤支撑万瓦级高功率连续激光输出的可行性。