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万瓦级泵浦增益一体化复合功能激光光纤
文章来源：《强激光与粒子束》编辑部 时间：2020-01-05 访问数:
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作为长距离分布式侧面泵浦技术的典型代表，泵浦增益一体化复合功能激光光纤(PIFL-fiber)不仅以传统激光光纤的稀土离子掺杂纤芯实现增益放大，还通过若干根泵浦光纤从多个泵浦端双向分别注入kW级LD泵浦光，巧妙地解决超大泵浦功率注入的难题。其工作原理是基于倏逝波耦合效应来实现数十米长度的长程侧面耦合，避免了集中泵浦注入方式所引起的局部热点，逐渐成为超高功率光纤激光放大技术的主选技术方案。
中国工程物理研究院激光聚变研究中心科研人员成功制备(8+1)型PIFL复合功能激光光纤，以MOPA放大模式实现了最高输出功率为11.23 kW激光输出，该简易光纤激光系统可实现10.45 kW稳定激光输出。该实验成果有效证明了长距离分布式侧面泵浦技术实现万瓦级高功率光纤激光输出的可行性，标志着国产光纤激光材料制备技术水平进入了崭新的历史阶段。
1 PIFL复合功能激光光纤理论建模与数值计算
(8+1)型PIFL复合功能激光光纤含有8根泵浦纤和1根信号增益纤。基于倏逝波耦合和分布式侧面泵浦的基本原理，利用BPM(光束传播法)对理想型(8+1)型复合功能光纤进行了模拟计算。如图1所示，模拟结果发现泵浦光吸收在整个复合功能光纤上吸收非常缓慢，双向泵浦时整个光纤体吸收很均匀。模拟结果显示：在注入10 kW级泵浦功率时，涂覆包层温度最高为50 ℃，在有机光纤涂覆料的耐受温度范围内，理论上确保万瓦级复合功能光纤激光输出。
2 PIFL复合功能光纤制备工艺开发
2014年以来，中国工程物理研究院激光聚变研究中心科研人员基于全自主研制的稀土掺杂光纤预制棒，采用特殊工艺技术成功制备了(1+1)型、(2+1)型和(3+1)型复合功能激光光纤，先后实现了2 kW、5 kW、6 kW的激光输出，如图2所示。随后，科研人员在光纤预制棒制备工艺和激光系统集成考核等方面进行了深入革新并取得了重要进步。2017年6月，特种光纤材料与制备技术研究团队将泵浦纤数量从3根提升至8根，首次成功研制了(8+1)型PIFL复合功能激光光纤。
(8+1)型PIFL复合功能光纤的制备技术是采用自主研发的多路泵浦纤与单路信号纤的表面物理贴附或侧面熔接工艺技术。经过长达一年的反复试验和科研攻关，我们所制备的复合功能光纤实现了由(3+1)型到(8+1)型的历史性跨越。如图3所示，(8+1)型复合功能光纤不但包括1根传统激光光纤拥有的稀土掺杂纤芯，而且同时含有8根泵浦光纤，是多光纤的组合体，可以实现万瓦级16路泵浦注入和万瓦级单路激光放大输出，是集泵浦注入、增益放大、非线性抑制、热管理等多功能于一体的复合功能光纤器件。
3 万瓦级高功率激光系统集成考核平台
图4是(8+1)型复合功能光纤激光测试的装置示意图，包括采用自研的超低数值孔径光纤搭建的高品质激光种子源和(8+1)型复合功能光纤作为MOPA放大级，激光信号经(8+1)型复合功能光纤的信号纤、包层光剥离器以及准直输出头后放大输出。激光测试过程中，信号光种子源功率是92 W，光束质量M2为1.1，单路泵浦注入能量≥1700W@976 nm，采用正反双向8路泵浦注入方式，实现了12.56 kW 976 nm-LD总泵浦注入，最终实现了10.45 kW光纤激光输出，光-光转换效率为82.5%，如图5所示。采用正反双向12路泵浦注入方式实现了14.83 kW 976 nm-LD的总泵浦注入，最终实现了11.23 kW的激光输出，其对应的斜率效率为75.1%，光束质量因子β<2.5，输出激光中心波长1079.4 nm，3 dB带宽1.7 nm。
