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国防科大：锥形光纤是实现高能量、超快、高光束质量激光的潜在技术力量

光电汇OESHOW

2023-12-02

导读：高能量、高光束质量的超快光纤激光

第一作者：王涛

通讯作者：李灿、周朴

通讯单位：国防科技大学

研究背景

高能量的超快激光在先进制造、光学传感、超快物理等领域具有广泛的应用。光纤激光由于具有系统灵活、紧凑、可柔性操作、转换效率高、光束质量好等优点，受到了广泛的关注。然而，受限于光纤较小的模场面积和较长的传输距离，超快光纤激光的能量/功率提升受到了非线性效应的制约。尽管可以通过增大模场直径的方式来抑制非线性效应，但将会引入高阶模式，导致光束质量的退化。

文章简介

为解决上述问题，国防科技大学的研究人员将锥形光纤引入啁啾脉冲放大（CPA）系统中，实现了具有高能量、高光束质量的超快激光输出。锥形光纤具有沿光纤长度方向逐渐变化的模场直径，具备在抑制非线性效应的同时保持光束质量的潜力。此外，锥形光纤的纤芯采用了部分掺杂工艺，有望在大模场面积条件下继续保持良好光束质量。基于该部分掺杂锥形光纤，实现了压缩后单脉冲能量为126 μJ、峰值功率为207 MW的飞秒激光输出，最高能量下的M²为1.20。以上结果证实了锥形光纤在产生高能量、高光束质量超快激光方面的潜力。近期，相关工作以Monolithic tapered Yb‑doped fiber chirped pulse amplifier delivering 126 μJ and 207 MW femtosecond laser with near diffraction‑limited beam quality为题发表于Frontiers of Optoelectronics期刊。

图文导读

▍ 创新点一：将部分掺杂锥形光纤引入CPA系统中

研究团队将部分掺杂锥形光纤引入到CPA系统中（如图1所示）。种子激光来自一个脉宽为6 ps的锁模激光器，经过两个啁啾光纤光栅（CFBG）之后脉宽展宽至1.7 ns。所得激光脉冲经过一级单模预放大器后，再经选频器将脉冲重频降至504 kHz。降频后的激光脉冲经过三级放大器实现脉冲能量和功率的提升。主放大器为一段2.4 m长的部分掺杂锥形光纤，光纤细端的纤芯/包层直径为35/250 μm，粗端的纤芯/包层直径为56/400 μm。

图1 基于部分掺杂锥形光纤的CPA系统结构示意图

图2是激光脉冲在放大过程中的光谱演化。可以看到，随着脉冲能量的增加，由于增益窄化效应的影响，光谱宽度在不断减小。图3是主放大器的脉冲输出特性。信号的平均功率和单脉冲能量均随着泵浦功率的增加而线性增长，最大值分别可达89.7 W和177.9 μJ。在能量的提升过程中，激光的偏振消光比（PER）始终保持在19 dB左右。在最高功率下，脉宽由之前的1.7 ns窄化到了996 ps。在整个放大的过程中，均保持着近单模的光束输出，最高单脉冲能量下的M²为1.20，表明光束质量接近衍射极限。

图2 放大器中信号光谱的演化情况

图3主放大器的脉冲输出特性：（a）输出功率和单脉冲能量随泵浦功率的变化；（b）PER的演化；（c）最高功率下的脉冲波形；（d）光束质量的演化

▍ 创新点二：通过高阶色散补偿技术改善压缩脉冲质量

为了补偿系统的非线性相移和改善脉冲的压缩质量，系统的前级引入了一个高阶色散可调节的CFBG。图4的上面一行是在没有调节CFBG的高阶色散下测得的压缩脉冲的自相关曲线。可以看到，随着脉冲能量的提升，压缩脉冲的底座和旁瓣也在逐渐增强，脉冲质量在逐渐退化。当精调CFBG的高阶色散后（图4的下面一行），在相同的单脉冲能量下，压缩脉冲的底座得到了一定程度的抑制，提高了脉冲主瓣的能量占比。在最高单脉冲能量下，压缩脉宽为401 fs，考虑到压缩光栅的损耗，此时脉冲能量为126.3 μJ。当去除掉脉冲底座的能量占比后，计算得到此时的峰值功率为207 MW。

图4 不同单脉冲能量下压缩脉冲的自相关曲线。上下两行分别为精调CFBG高阶色散前后的测试结果，蓝色和红色曲线分别是测量的自相关轨迹和拟合曲线。

总结和展望

通过将部分掺杂锥形光纤引入CPA系统来平衡非线性效应和光束质量，实现了高能量、高光束质量的超快激光输出。进一步结合高阶色散补偿技术，改善了压缩脉冲的质量，提高了系统的峰值功率。未来通过进一步优化锥形光纤的设计，如光纤长度、掺杂浓度、拉锥比等，有望进一步改善输出激光性能。

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作者介绍

▍ PI简介

李灿，通讯作者，国防科技大学前沿交叉学科学院副研究员、硕士生导师。主要从事高性能超短脉冲/超窄线宽光纤激光产生及放大方面的研究，在Photonics Research, APL Photonics, Optics Letters等学术期刊发表论文60余篇，申请发明专利10余项。目前作为项目负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金等项目的研究工作。

周朴，研究员、博士生导师，“王大珩光学奖中青年科技人员光学奖”获得者、全国优秀博士学位论文作者，第十二届全国青联委员，第十三届全国青联委员、常委，教育部科技委学部委员。目前主要从事科研管理以及激光等领域的科研、人才培养、战略研究工作，主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等10余项科研项目，在高功率光纤激光、激光光束合成等方向以及交叉学科领域取得了创新研究成果，第一/通信作者发表高质量论文150余篇，获授权专利60余项。入选国家级高层次人才计划和军队高层次人才工程。

▍ 第一作者介绍

王涛，第一作者，现在国防科技大学前沿交叉学科学院光学工程专业攻读博士学位。研究兴趣包括超快光纤激光产生及放大等，以第一作者身份在ACS Applied Materials & Interfaces、SCIENCE CHINA: Information Sciences、High Power Laser Science and Engineering、IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics等期刊发表SCI论文14篇。目前主持湖南省研究生科研创新项目一项，曾获光华奖学金、卢嘉锡优秀研究生奖等奖励。

课题组简介

国防科技大学高能激光团队激光相干合成课题组，主要从事单频/窄线宽光纤激光、超快激光、激光多参量控制、相干合成系统集成、大气传输与“目标在回路”控制等方面的研究以及相关教学和人才培养工作，实现了连续/纳秒/皮秒/飞秒等多种形式的光纤激光相干合成，出版中文学术专著1部（国防工业出版社）、参编英文专著1部（Wiley出版集团）。在全光纤单频光纤激光方面，课题组在国际首次实现300瓦级（2013年）、400瓦级（2017年）和500瓦级（2020年）功率输出；在窄线宽单模光纤激光方面，课题组先后实现4千瓦级（2018年）、5千瓦级（2020年）、6千瓦级（2021年）、7千瓦级（2022年）功率输出；在全光纤超快激光方面，课题组先后在1 μm波段实现440 W平均功率（2022年）和207 MW峰值功率（2023年）输出，在2 μm波段实现314 W平均功率（2023年）输出；在激光相位控制方面，课题组先后实现6束（2009年）、16束（2010年）、32束（2014年）、60束（2018年）、107束（2020年）、400束（2022年）和1000束（2023年）连续激光相干合成和飞秒激光相干合成（2015年）；在系统集成方面，课题组先后实现光纤激光相干合成千瓦级（2010年）、5千瓦级（2016年）、8千瓦级（2019年）和20千瓦级（2021年）功率输出。