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光纤激光器以其优良的光束质量、可柔性操作、热管理方便、结构紧凑等优点广泛应用于工业加工、医疗卫生、基础研究等领域[1-7]。根据《2022中国激光产业发展报告》，2021年我国光纤激光器市场规模约为124.8亿元，占工业激光器的53%。近年来，随着高亮度泵浦源、光纤合束器、掺镱光纤研制工艺和性能的发展，光纤激光器的功率得到了迅速提升[8-12]。表1给出了级联泵浦输出功率大于10 kW的光纤激光器、光纤耦合半导体激光器（LD）泵浦输出功率大于5 kW的放大器和大于4 kW的振荡器的发展现状。在单纤近单模高亮度（光束质量M2<2）光纤激光器方面，国防科技大学、中国工程物理研究院等单位都实现了大于5 kW的近单模光纤激光[13-17]。在单纤高功率方面，2019年至今，国内多家单位都实现了10~20 kW高功率光纤激光器输出[18-21]。2019年，中国科学院上海光学精密机械研究所基于LD泵浦实现了10 kW的激光输出[22]；2021年，清华大学和中国工程物理研究院基于级联泵浦实现了20 kW的高功率输出[23-24]；2022年，中国工程物理研究院基于级联泵浦实现了高拉曼抑制比的20 kW激光器；同年，武汉锐科激光股份有限公司基于LD泵浦方案实现了22 kW的长时间稳定工作的光纤激光输出[24]；笔者所在课题组也基于LD泵浦方案实现了功率为20 kW的较高亮度激光输出[25]。
表 1 近年来高功率光纤激光器发展现状
Table 1. Development of high efficiency fiber laser in recent years
Year Company/Institute Configuration Pump scheme Power/kW Beam quality Brightness Reference 2009 IPG Photonics，USA Amplifier Tandem pump 10 M2~1.3 ~5.073×1015 [26] 2016 NUDT, China Amplifier Tandem pump 10 - - [27] 2021 Tsinghua, China Amplifier Tandem pump 9.01 - - [28] 2021 CAEP & Tsinghua, China Amplifier Tandem pump 20.01 - - [23] 2021 CAEP, China Amplifier Tandem pump 20.88 βfl~2.96 ~2.043×1015 [21] 2022 CAEP, China Amplifier Tandem pump 21.39 βfl~3.86 ~1.231×1015 [20] 2022 NUDT, China Amplifier Tandem pump 20.22 M2~3.3 ~1.592×1015 [29] 2017 TJ Univ., China Amplifier LD pump 5.01 <1.8 ~1.326×1015 [30] 2018 CAEP, China Amplifier LD pump 10.6 βfl~3.86 ~6.099×1014 [31] 2019 SIOM, China Amplifier LD pump 10 - - [22] 2020 DK laser, China Amplifier LD pump 6 M2~2.2 ~1.063×1015 [32] 2021 NUDT, China Amplifier LD pump 6 M2<1.3 >3.044×1015 [16] 2021 NUDT, China Amplifier LD pump 8 M2~2.5 ~1.097×1015 [33] 2022 NUDT, China Amplifier LD pump 13 M2~2.85 ~1.372×1015 [34] 2021 Maxphotonics, China Amplifier LD pump 12 BBP~1.2 mm·mrad 8.443×1014 [35] 2021 Raycus laser, China Amplifier LD pump 12 BBP~3.6 mm·mrad 9.382×1013 [36] 2022 Raycus laser, China Amplifier LD pump 22.07 M2 ~9.68 ~2.019×1014 [24] 2022 NUDT, China Amplifier LD pump 20.27 M2 ~7@15 kW ~2.625×1014 [25] 2014 IPG Photonics Oscillator LD pump 10 M2<1.1 >7.085×1015 [37] 2018 NUDT, China Oscillator LD pump 5 M2~2.2,1.4 ~2.187×1015 [38-39] 2018 Universität Jena, Germany Oscillator LD pump 4.8 M2~1.3 ~2.435×1015 [40-41] 2019 Lumentum, USA Oscillator LD pump 4.2 BBP~1.5 mm·mrad 1.891×1014 [42] 2019 GW laser, China Oscillator LD pump 4 Single mode - [43] 2019 Reci laser, China Oscillator LD pump 4 Single mode - [44] 2019 FeiBo laser, China Oscillator LD pump 4 Ring laser - [45] 2020 DK laser, China Oscillator LD pump 5 M2~2.4 ~7.442×1014 [46] 2020 Fujikura, Japan Oscillator LD pump 8 M2~1.5 ~3.048×1015 [10] 2020 NUDT, China Oscillator LD pump 7 M2~2.4 ~1.042×1015 [47] 2022 NUDT, China Oscillator LD pump 7.92 M2~2.8 ~8.661×1014 [48] 2023 Reci Laser, China Oscillator LD pump 6 - - [49] 从表1可以看出，近年来单路光纤激光输出功率得到了极大的提升，但其光束质量提升则较为困难。在光纤激光器中，由激光功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标，在已知光纤激光器功率P和光束质量BPP或光束质量因子M2时，亮度可以表示为[50]：
$$ B = \frac{P}{{{\pi ^2}{{(BBP)}^2}}}{\text{ = }}\frac{P}{{{{({M^2}\lambda )}^2}}} $$ (1) 在应用系统中，假设光学系统的光学口径为D，焦距为f，那么目标处功率密度I为：
$$ I{\text{ = }}\dfrac{P}{{{{\left( {{M^2}\lambda } \right)}^2}}}\dfrac{1}{{\pi {{\left( {1.22\dfrac{f}{D}} \right)}^2}}} $$ (2) 即激光的聚焦功率密度I与激光器的功率P成正比，与光束质量M2的平方成反比。表1也计算了部分光纤激光器的亮度。根据公式（2）可知，在相同的光学加工系统中，功率为6 kW、M2为1.5的近单模激光功率密度可达到IPG公司的功率为100 kW[51]、光束质量BPP为16 mm·mrad多模激光功率密度的57倍，可达到22 kW、M2~9.68多模激光功率密度的11倍！因此，在高亮度的应用场合，激光器光束质量甚至比输出功率更为重要。
尽管当前我国光纤激光器在功率提升方面得到了长足的进步，实现了单纤22 kW的功率输出，但其光束质量（M2~9.68）较差，难以应用于新能源电池焊接等高精度的要求场合。在同时保持高功率、高光束质量的高亮度光纤激光器方面，我国与国外差距非常显著：早在2009年，美国IPG公司就推出了10 kW、M2~1.3的单模光纤激光器产品[26]。直到2023年3月，我国尚没有一家公司推出功率大于6 kW、光束质量M2<2的高亮度光纤激光器工业产品，这将严重制约我国在前沿科研和高端制造领域的发展。
为什么我国高亮度光纤激光器输出功率严重落后？究其原因，除了由于起步较晚导致基础认知、材料工艺相对落后，还主要有两个方面的原因：一是理论方面，缺乏完善的理论指导和基于理论的原创性方案以突破技术瓶颈；二是设计方面，缺乏从科研到工业设计的桥梁——光纤激光仿真软件以降低工业激光器设计门槛，使得科研成果难以快速地转换为工业产品。基于此，国防科技大学从光纤激光限制因素出发，开展基础理论研究，开发光纤激光仿真软件，提出成体系的光纤激光器性能提升方法，并开展系统的实验验证，为LD泵浦高亮度光纤激光器发展提供支撑。
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在光纤激光器中，存在各种对激光器输出特性影响的物理效应。包括放大自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）、受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering，SBS）、受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering，SRS）、自相位调制（Self-Phase Modu-lation，SPM）、交叉相位调制（Cross-Phase Modulation，XPM）、四波混频（Four-Wave Mixing，FWM）、横向模式不稳定效应（Transverse Mode Instability，TMI）等。其中，SBS、SRS、SPM、XPM、FWM为传统的非线性效应，TMI效应是2010年来发现的新物理效应[52-53]。上述各种效应存在于不同类别的激光器中，会对光纤激光器输出特性产生各种影响，如表2所示。
表 2 光纤激光器中各个物理效应对激光输出特征参数的影响
Table 2. Influence of physical effects on laser output characteristic parameters in fiber laser
Parameters Physical effects Power Time domain Beam quality Spectrum In which laser ASE √ √ √ All fiber laser SBS √ √ √ Single-frequency
and narrow linewidth
fiber laserSRS √ √ √ √ All fiber laser SPM √ √ All fiber laser XPM √ √ None single-
frequency laserFWM √ √ None single-
frequency laserTMI √ √ √ √ All fiber laser 由表2可知，ASE可以存在于全部类型的光纤激光器中，ASE产生后会消耗上能级粒子，从而影响激光器需求波段输出功率的提升；此外，当ASE较强时，时域还有可能出现脉冲成分；最后，ASE的出现也会影响激光输出光谱的形态。SBS原则上存在于全部激光器中，但是主要对单频和窄线宽光纤激光器功率提升影响较大：由于SBS传输方向与信号激光传输方向相反，当SBS产生后，激光输出功率会显著下降，在时域也会存在明显的功率起伏[54]。由于SBS是后向信号，它的产生原则上对于激光器光束质量和光谱特性没有直接的影响；当然，如果由于SBS诱导产生了TMI，则会影响输出光束的质量[55-56]。SPM、XPM、FWM等三种非线性效应，一般情况不会影响激光器的输出功率、时域和光束质量，但是会对脉冲和连续窄线宽光纤激光器的光谱特性产生显著的影响[57-58]。这种影响，一方面在窄线宽激光器中希望严格控制以减少光谱展宽；另一方面，也可以利用这些非线性效应来展宽光谱、产生超连续谱等特殊光源。SRS存在于全部的激光器中，SRS产生后，对激光器的输出功率、光谱、时域、光束质量都存在一定的影响[59-60]，因此，是宽谱光纤激光器中需要研究的重要对象。近年来，研究人员还发现SRS会导致TMI提前产生，进一步降低功率、恶化光束质量[61-65]。TMI存在于所有类型的激光器中，会对激光器输出功率、时域、光束质量、光谱特性都产生影响，是当前宽谱光纤激光器中影响输出功率的重要限制因素。
下面针对宽谱光纤激光器中影响功率和光束质量的SRS和TMI效应进行简要介绍，并指出二者对光纤激光器设计需求的矛盾。
拉曼散射是指在任何分子介质中，自发拉曼散射将小部分（约为10−6）功率由一个光场转移到另一个频率下的光场中。自发拉曼散射光产生的是非相干辐射，产生称为Stokes波的频移光。而入射到非线性介质中的激光足够强时，生成的Stokes光产生的是相干辐射，其强度将在传输过程中得到放大；当泵浦功率超过某一阈值时，Stokes光近似呈指数增长，这就形成SRS。理论上，SRS是一个快变的过程，其响应时间小于100 fs[66]。如果脉冲激光的脉宽小于10 fs，那么SRS也有可能得到较好的抑制。在掺镱光纤放大器中，SRS阈值功率为：
$$ P_{th}^{SRS} = \frac{{16{A_{eff}}}}{{{g_R}{L_{eff}}}}\ln \left( G \right) $$ (3) 式中：$ {A_{eff}} $为光纤等效模场面积；$ {L_{eff}} $为等效光纤长度；G为放大器中的激光增益；${g_R}(\varOmega )$为拉曼增益系数；$\varOmega = {\omega _p} - {\omega _s}$，表示泵浦光频率${\omega _p}$与Stokes频率${\omega _s}$之差，即为Stokes频移。在石英光纤中，1 μm处峰值拉曼增益系数为gR=1×10−13 m/W。
TMI在2010年以后才逐渐走入人们的视野，目前已经成为影响高功率光纤激光器功率提升最为主要的限制因素[64, 67-73]。TMI效应是指当激光泵浦功率达到某一值时，输出激光模式在基模与高阶模之间动态演化的一种效应[67]。按照产生的机理，包括热致模式不稳定效应[72]、非线性导致的模式不稳定效应[56, 63]等。其中，热致模式不稳定效应普遍存在于目前的高功率光纤激光器中，且严重影响光纤激光器功率的提升。TMI效应产生后，会影响激光器输出的光束质量、功率/效率、时域、光谱等参数：首先，当TMI效应产生后，高阶模式的功率占比会随着泵浦功率的增加而增加，这会导致激光光束质量的恶化[74]；其次，在全光纤激光器中，一般要使用包层光滤除器（CLS）滤除包层光，在这种情况下，由于TMI产生的高阶模式经由光纤弯曲耦合进入包层而被滤除，会导致激光器输出功率和效率下降[75]；再次，在TMI效应产生后，基模与高阶模式之间存在动态耦合，包层光滤除器滤除部分高阶模式，会发现激光器的输出时域存在动态起伏[76]；最后，TMI效应出现后，激光的模式不稳定和时域不稳定，会导致输出激光光谱形态也随着时间变化，尤其是在拉曼波段的光谱，在不同时刻会呈现出不同的形态[77]。一般认为，光纤放大器中的TMI阈值与模式特性、激光器效率、光纤几何参数等有关[72]：
$$ P_{th}^{\rm TMI} = \frac{{\kappa U_{11}^2\left( {U_{11}^2 - U_{01}^2} \right)}}{{2\pi {n_{eff}}\left( {{{{\rm d}n} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{\rm d}}n} {{{\rm d}}T}}} \right. } {{\rm d}T}}} \right)}}{\left( {\frac{{{\lambda _0}}}{{{d_0}}}} \right)^2}\left( {\frac{{{\eta _{laser}}}}{{{\eta _{heat}}}}L} \right) $$ (4) 式中：$ \kappa $为石英光纤热传导系数；$ {U_{11}} $、$ {U_{01}} $为LP11和LP01模的横向归一化频率；$ {n_{eff}} $为有效折射率；$ {\eta _{heat}} $为产热系数；$ {\eta _{laser}} $为激光器效率；L为光纤长度；$ {\lambda _0} $为激光波长；$ {d_0} $为光纤直径；${{{\rm{d}}n} \mathord{\left/ {\vphantom {{{\rm{d}}n} {{\rm{d}}T}}} \right. } {{\rm{d}}T}}$为热光系数[72]。
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根据公式（3），要抑制SRS，可以采取以下措施：
（1） 降低等效拉曼增益系数gR。具体地，可以通过材料优化降低峰值拉曼增益，通过改变掺镱光纤几何形态减少等效拉曼增益。
（2） 增大光纤有效模场面积$ {A_{eff}} $。具体地，可以通过增加产生激光的掺镱光纤和传输激光的传能光纤的几何直径d0来增大有效模场面积。
（3） 减小等效光纤长度$ {L_{eff}} $。具体地，可以采用如下方法：1)缩短产生激光的掺镱光纤LYDF和传输激光的传能光纤LGDF的物理长度；2)通过泵浦波长和泵浦方向优化，缩短高功率激光与掺镱光纤的等效相互作用长度$ {L_{eff}} $。这里，要在不影响激光器效率的情况下缩短掺镱光纤长度，就需要增加光纤的泵浦吸收系数，一般情况可以通过增加掺杂粒子浓度或者增加纤芯与包层直径比来实现。
根据公式（4），在光纤材料和中心波长一定的情况下，要提升激光器的TMI阈值，可采取以下措施[78]：
（1） 选择支持模式数量较少的掺镱光纤。具体地，可以减少掺镱光纤直径$ {d_0} $、数值孔径NA，从而减少归一化截止频率。
（2） 增加已有光纤中高阶模式损耗或减少高阶模净增益。具体地，可以通过减少光纤弯曲直径增加高阶模式损耗，通过增益裁剪降低高阶模式增益。需要说明的是，光纤弯曲一般认为是一种有效抑制TMI的方法。但是，随着光纤的弯曲直径减小，由应力导致光纤涂覆层微裂纹越严重，这会导致激光器的寿命严重下降[79]。因此，在实际设计中需要兼顾TMI抑制和激光器寿命的平衡。
（3） 减少单位长度的热量。具体地，主要包括：1)提升激光器效率$ {\eta _{laser}} $；2)减少增益光纤背景损耗以降低产热效率$ {\eta _{heat}} $；3)降低掺镱光纤吸收系数；4)增加掺镱光纤长度L。其中，降低掺镱光纤吸收系数一般有多种方法，一是降低掺镱光纤纤芯掺杂浓度；二是减少纤芯与包层直径比；三是优选吸收系数相对较小的LD波长作为泵浦源。
根据上述对SRS和TMI抑制的描述可知，在大部分的情况下，SRS和TMI对光纤激光器的纤芯直径、光纤长度、纤芯包层直径比、吸收系数等参数的设计需求完全矛盾，如图1所示。
图 1 SRS和TMI对光纤激光器设计需求矛盾示意图
Figure 1. SRS and TMI have conflicting requirements for fiber laser design
事实上，受限于非线性效应和模式不稳定效应，传统纤芯直径均匀单模光纤激光器的极限输出功率较低。在模式不稳定效应未发现以前，LD泵浦单模光纤激光器极限输出功率在10 kW左右[80]，1018 nm级联泵浦单模光纤激光器极限输出功率在13.3 kW[81]。在模式不稳定效应发现以后，单模光纤激光器的极限输出功率更低。究其原因，主要是光纤激光器设计过程中，常规方法难以平衡图1所示的SRS和TMI抑制的矛盾[82]。
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在光纤激光器抑制SRS和TMI的方法中，采用后向泵浦是一种少有的可同时抑制SRS和TMI的有效方法。为了平衡SRS和TMI，笔者课题组提出了变纤芯直径掺镱光纤和泵浦波长优化的方法提升高亮度光纤激光器功率[83-84]。
变纤芯直径增益光纤是指纤芯直径沿着光纤长度方向（简称纵向）变化的增益光纤，包括常规纤芯直径单调变化的单锥形增益光纤，纤芯直径小-大-小变化的纺锤形增益光纤、纤芯直径大-小-大变化的马鞍形增益光纤。图2给出了纤芯和包层直径沿着纵向同时变化的纺锤形光纤。沿着光纤纵向，纺锤形光纤先后包括五个区域：小芯径区域S1、纤芯渐变区域T1、大芯径区域L、纤芯渐变区域T2、小芯径区域S2，各个区域长度在米量级[83]。一般情况，S1和S2的纤芯直径比L区域的纤芯直径小；T1为S1~L的过渡区域、T2为L~S2的过渡区域，均起到模场匹配的效果。在该光纤中，大纤芯直径区域L具有较大的纤芯直径，能够有效提高SRS等非线性效应的阈值；小纤芯直径区域S1、S2支持模式较少，结合有效的光纤弯曲能够抑制高阶模式，从而提高TMI阈值[82, 85]。
图 2 变纤芯直径光纤结构及其在光纤激光器中使用时的弯曲示意图
Figure 2. Structure of fiber with variable core diameter and its bending diagram for use in fiber lasers
变纤芯直径光纤可以一定程度提高SRS阈值，但是在TMI抑制方面，需要对光纤各个区域的参数进行精细设计才能达到兼顾TMI抑制的效果。为了降低对该类光纤的设计要求，在变纤芯直径光纤的基础上，重点提出泵浦波长优化的方法来提升TMI阈值。图3(a)给出了掺镱光纤激光器的典型吸收截面，一般情况下，掺镱光纤激光对900~976 nm光有较强的吸收。因此，在传统光纤激光器中，一般采用如图3(a)所示的915 nm、940 nm、976 nm和1018 nm四种泵浦波长对光纤激光器进行泵浦。然而，这几个波长泵浦源也难以平衡更高功率激光器中非线性和模式不稳定效应抑制的要求。笔者课题组经过系统研究，提出采用图3(b)所示区域978~1010 nm波段的光作为泵浦光[84]，以掺镱光纤的吸收系数、激光器量子效率为基本参数对泵浦波长进行优化，以实现高效率、高TMI阈值的光纤激光器。基于该思路，采用981 nm的LD对光纤激光器进行泵浦，实现了5~6 kW高TMI阈值的近单模光纤振荡器和放大器输出[16, 39]。
图 3 传统激光器泵浦波长和优化TMI阈值的新泵浦波段
Figure 3. Traditional laser pumping wavelength and new pumping waveband for optimized TMI threshold
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为了推动国内光纤激光领域的发展，国防科技大学于2014年提出并联合中国科学院软件研究所开发了一款针对光纤激光系统的图像化数值仿真软件SeeFiberLaser[86-88]。该软件旨在对不同时域特性（连续、脉冲）光纤激光的产生、放大和传输进行仿真；仿真过程中，可以根据仿真选项，分别或部分考虑光纤激光器中的ASE、SRS、SBS、横向模式竞争等效应；仿真结果中，可以根据要求输出光纤激光的功率、光谱、光斑形态、时域、温度等数据。为了能够快速入门，软件设计采用界面图形化、器件模块化、参数表格化、结果可视化的“四化”设计理念；通过拖拽模块化器件搭建各类激光器，通过器件参数表格输入仿真参数，仿真后的结果可以直接作图，并可以存储各种数据和图表，极大提高了软件的使用效率，为光纤激光理论学习、工程设计以及科学研究提供帮助。对于该软件的详细功能和大部分光纤激光器的仿真，可以参考相关文献[86, 88]。
2021年以后，为了满足工业设计需求，笔者在SeeFiberLaser软件中推出了物料清单（BOM）和多参数优化迭代功能，可以根据仿真结果，给出激光器的器件清单和各个器件参数，用户可以直接根据这些参数开展实验验证或工业激光器试制。此外，为了满足快速优化的需要，开发了多参数遍历优化仿真的功能，根据仿真结果，可以给出不同参数下激光器的主要输出特性参数，并进行对比，给出了不同光纤长度、不同吸收系数、不同泵浦功率情况下光纤激光器输出功率、效率、ASE抑制比、SRS抑制比的对比，根据该结果，可以快速实现对激光器的优化[87]。
该节利用SeeFiberLaser软件首先对第1节描述的各种抑制TMI和SRS的方法进行仿真验证，然后分别对工业用光纤振荡器、高亮度光纤放大器进行仿真，通过仿真结果对激光器进行优化设计，展示两种光纤放大器的优化设计过程和设计要求。
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在不考虑模式稳定效应的情况下，单独考察不同泵浦方式下光纤放大器中的非线性效应。仿真中，种子功率100 W，中心波长1080 nm；放大器增益光纤纤芯/包层直径为25/400 μm，长度为12 m，在976 nm波长的吸收系数为1.68 dB/m；在单端前、后向泵浦时，前、后向注入泵浦功率为4000 W；在双向同时泵浦时，前、后向各注入泵浦功率2 000 W。首先，利用SeeFiberLaser软件仿真给出前向、后向、双向泵浦放大器掺镱光纤中的激光功率分布，见图4(a)。此处引入光纤光学中常用的物理量B积分来衡量光纤激光器中的非线性效应累积[58]，一般来说，B积分值越大，非线性效应越强。根据功率分析，计算各种泵浦情况下的B积分，得到结果见图4(b)。结果表明，在输出功率基本一致的情况下，后向泵浦的B积分只有前向泵浦的31%、双向泵浦的65%，这就从原理上保证了后向泵浦方式可以有效抑制SRS等的非线性效应。
图 4 不同泵浦方式光纤放大器中功率分布与归一化B积分。 (a) 放大器中的功率分布； (b) 归一化B积分
Figure 4. Power distribution and normalized B-integral in fiber amplifier under different pump configuration. (a) Power distribution in the amplifier; (b) Normalized B-integral
在图4的仿真中，没有考虑TMI效应，实际上考虑TMI效应后，该放大器的实际输出功率，尤其是前向输出功率会显著降低。为了验证后向泵浦对放大器TMI的抑制效果，基于TMI的阈值模型[68, 89]，利用SeeFiberLaser集成的SeeFiberTool中的TMI阈值计算功能对上述参数放大器的前、后向TMI阈值进行仿真，结果如图5所示。结果表明，以高阶模式5%的比例为TMI阈值判定，前向泵浦时，该放大器的TMI阈值约为774 W，后向泵浦的TMI阈值约为1067 W，较前向提升了37.9%。这是由于后向泵浦方案相比于前向泵浦方案具有更强的增益饱和效应，可以显著提升TMI阈值。
图 5 976 nm泵浦时前、后向泵浦的TMI阈值仿真
Figure 5. Simulation of TMI thresholds in co-pump and counter pump configuration with a pump wavelength of 976 nm
仿真结果表明，后向泵浦光纤放大器可以兼顾SRS和TMI抑制。随着后向泵浦合束器的工艺逐步成熟、泵浦注入能力不断提升，后向泵浦逐步成为高亮度光纤激光中广泛应用的技术手段。
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优化泵浦可以有效提升TMI阈值，这里对常见的915、976 nm和课题组提出的几种新波长提升TMI阈值的能力进行仿真。仿真中，放大器掺镱光纤的纤芯/包层直径为30/400 µm，长度为20 m。Yb3+的掺杂浓度为 6.3×1025 m−3，以Nufern商业30/400 μm光纤的吸收发射截面作为仿真输入。在前向泵浦情况下，图6给出了915 nm、976 nm、969 nm、981 nm、982 nm和985 nm泵浦时的TMI阈值。结果表明，通过优化泵浦波长，可以极大提升TMI阈值。比如，在该光纤放大器中，981 nm泵浦时的TMI阈值是976 nm泵浦时TMI阈值的1.39倍。此外，仿真发现波长的细微变化对TMI阈值可能影响较大，以981 nm和982 nm为例，将泵浦波长改变1 nm，TMI阈值可以提升15.2%。需要说明的是，当前的TMI阈值理论模型中，大部分采用的是高阶模式比例达到一定值（一般取5%）时认为出现了TMI。因此，实验的TMI与理论的TMI阈值本质上存在一定的差异。
图 6 不同波长前向泵浦时30/400 μm光纤放大器的TMI阈值仿真结果
Figure 6. Simulation results of TMI threshold at different pump wavelengths in co-pump configuration of 30/400 μm amplifiers
对于泵浦波长优化提升TMI阈值，一方面是降低掺镱光纤单位长度的热负荷，需要对泵浦波长与其对应光纤吸收系数和量子效率进行综合优化，另一方面则是增强激光器的饱和效应，从而提升TMI阈值。因此，除了优化选择吸收系数较低、量子效率较高的981 nm等泵浦波长外，还可以通过适当降低增益光纤吸收系数，选择976 nm泵浦波长[90]；甚至还可以设计和选择990~1010 nm波段的LD，并确保掺镱光纤的吸收系数与常规光纤在969 nm等波长吸收系数基本一致即可[91]。
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这里，对纺锤形掺镱光纤可以兼顾SRS和TMI进行仿真验证。首先，给出四种双包层掺镱光纤的纤芯和包层直径参数，如表3所示。其中，光纤1（Fiber 1）为纺锤形掺镱光纤，等效纤芯直径为25 μm。光纤2~光纤4为纤芯直径均匀的掺镱光纤，四种光纤的纤芯与包层直径之比相同，因此，可以从同一个光纤预制棒拉制出来。仿真中，四种长度都为16 m，吸收系数都为1.26 dB/m，数值孔径都为0.065。
表 3 仿真中几种光纤参数的描述
Table 3. Main parameters of fibers used in simulation
Fiber Core diameter/µm Cladding diameter/µm Fiber1 20-30-20 400-600-400 Fiber2 20 400 Fiber3 25 500 Fiber4 30 600 基于上述四种光纤，仿真了采用976 nm前向泵浦情况下，不同光纤的TMI阈值和输出拉曼功率情况，如图7所示。从图7 (a)可知，放大器采用纺锤形掺镱光纤（Fiber1）时的TMI阈值仅比采用20/400 μm掺镱光纤（Fiber2）时的TMI阈值低30 W，比采用25/500 μm掺镱光纤（Fiber3）时的TMI阈值高70 W以上。从图7 (b)可知，放大器采用纺锤形掺镱光纤（Fiber1）时的SRS比采用20/400 μm掺镱光纤（Fiber2）时的SRS功率低30%以上。两个结果验证了纺锤形光纤可以兼顾SRS和TMI抑制。需要说明的是，这里说的是兼顾，不是能够完全同时解决SRS和TMI的问题。在实际使用中，需结合泵浦波长优化、泵浦方式优化来综合抑制SRS和TMI。
图 7 不同光纤放大器的TMI阈值和输出拉曼功率
Figure 7. TMI threshold and output Raman power of different fiber amplifiers
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这里以单模光纤振荡器为例，利用SeeFiberLaser软件对于光纤激光振荡器进行仿真，以展示工业光纤激光器的设计方法。在SeeFiberLaser软件中，拖拽元器件、连接各个元器件、设置默认熔接点损耗为0，最终搭建如图8所示的双端泵浦连续光纤振荡器。表4给出了该激光器仿真中的主要参数。为了对激光器进行优化，表4中的光纤光栅中心波长、低反射光纤光栅（OCFBG）反射率、掺镱光纤（YDF）长度、泵浦光中心波长等参数都是需要根据仿真结果进行迭代优化的数值，其他参数，如高反射光纤光栅（HRFBG）反射率等则固定不变。
图 8 连续光纤振荡器SeeFiberLaser仿真模型
Figure 8. SeeFiberLaser simulation model of continuous fiber oscillator
表 4 光纤振荡器仿真主要参数设置
Table 4. Main parameters of fiber oscillator simulation
Parameter Value Parameter Value Spectrum shape of the pump Gaussian Type of YDF User-defined 20/400 Central wavelength of the pump 915-975 nm Length of YDF 15-30 m 3 dB linewidth of the pump 3 nm Core diameter of YDF 20 μm Forward pump power 1000 W Inner cladding diameter of YDF 400 μm Backward pump power 1000 W Pump absorption coefficient 1.26 dB/m@975 nm Reflection spectrum of HRFBG Gaussian Reflection spectrum of OCFBG Gaussian Central wavelength of HRFBG 1050-1090 nm Central wavelength of OCFBG 1050-1090 nm Reflectivity of the HRFBG 99% Reflectivity of the OCFBG 5%-30% Length of endcap’s pigtail fiber 3 m Length of the rest pigtail fiber 1 m Raman delayed response fraction 0.18 Raman noise 1×10−12 W Raman gain coefficient 1.22×10−14 s Vibration damping time 3.2×10−14 s Nonlinear refractive index coefficient 2.6×10−20 m2/W 根据光纤激光器的三要素：增益介质、谐振腔和泵浦源，笔者将分别从掺镱光纤长度、谐振腔中心波长、低反射光纤光栅反射率、泵浦源波长等四个方面进行仿真和优化，以获得相应参数的最优值。
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在激光器设计中，掺镱光纤长度是需要优化的对象。给定泵浦源中心波长为975 nm，光纤光栅对的中心波长为1080 nm，低反射光纤光栅的反射率为10%。选择不同掺镱光纤长度：10 m、15 m和20 m，仿真不同掺镱光纤长度时激光器的输出特性。
图9 给出了长度为10、20 m的掺镱光纤激光器的输出光谱特性，光谱范围覆盖信号激光和拉曼光谱；可以看出，光纤越长，拉曼光越强。将三种情况下激光输出特性参数：SRS抑制比（信号峰值与SRS激发的拉曼斯托克斯光峰值之差）、残留泵浦光功率以及输出功率汇总如表5所示。
图 9 不同掺镱光纤长度时1080 nm光纤振荡器输出光谱。 (a) 掺镱光纤10 m输出光谱； (b) 掺镱光纤20 m输出光谱
Figure 9. Output spectrum of 1080 nm fiber oscillator with different ytterbium-doped fiber lengths. (a) Output spectrum when the ytterbium fiber is 10 m; (b) Output spectrum when the ytterbium fiber is 20 m
表 5 不同掺镱光纤长度时光纤振荡器仿真输出结果
Table 5. Fiber oscillator simulation results with different ytterbium-doped fiber lengths
Length of YDF/m SRS suppression ratio/dB Residual pump power/W Output power/W 10 51.4 160 1512.8 15 43.3 46 1572.5 20 39.6 16 1572.2 从表5可以看出，随着光纤长度增加，SRS抑制比越来越小，残留泵浦光也越来越少，但是输出功率会先增加后减少。综合包层光滤除器的承受功率、激光器输出功率和SRS抑制效果，对于设定的参数，选择掺镱光纤在15 m左右激光器的各项输出特性最佳。实际上，还可以进一步细化和优化光纤的长度进行仿真，以获得较为精确的光纤长度。
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在光纤振荡器设计中，激光器的中心波长也是一个需要重点考虑的因素。这里，在给定泵浦源中心波长为975 nm，掺镱光纤长度为15 m，低反射光纤光栅反射率为10%时，从1050~1090 nm间隔10 nm改变光纤光栅对的中心波长，仿真不同中心波长时激光器的输出特性。由于不同激光波长主要影响的是量子效率和ASE特性，仿真中首先给出了1050 nm和1080 nm两个中心波长的典型激光输出光谱，如图10所示。结果表明，随着光纤光栅中心波长的增加，输出激光的ASE会逐渐减弱。
图 10 不同中心波长时光纤激光器输出光谱 。(a) 中心波长1050 nm时的输出光谱 ；(b) 中心波长1080 nm时端帽的输出光谱
Figure 10. Fiber laser output spectrum at different central wavelengths. (a) Output spectrum when the central wavelength of the FBG is 1050 nm; (b) Output spectrum when the central wavelength of the FBG is 1080 nm
根据仿真结果，计算ASE抑制比（信号峰值与ASE峰值之差）、SRS抑制比和输出功率，相关数据汇总于表6中。从表6可知，随着光纤光栅中心波长的增加，激光的ASE和SRS抑制能力越来越强，但输出的激光功率先增加后减少，在中心波长为1070 nm时，有最大的输出功率。尽管1090 nm时的SRS抑制比较好，但是由于量子效率偏低，使得输出功率也偏低。因此，在实际激光器研制中，优先选择1070 nm和1080 nm作为激光器的中心波长。值得注意的是，由于掺镱光纤发射截面随着波长的增加而减少，1080 nm的SRS抑制能力比1070 nm好。如果对SRS要求严格，可以选择1080 nm作为激光器的中心波长，这也是当前工业激光以1080 nm为主的一个重要原因。
表 6 不同中心波长光纤激光振荡器仿真输出参数
Table 6. Simulation output parameters of fiber laser oscillators with different central wavelengths
Central
wavelength/nmASE
suppression
ratio/dBSRS
suppression
ratio/dBQuantum
efficiencyOutput
power/W1050 32.5 >32.5 0.9231 1480 1060 43.5 >43.5 0.9128 1558 1070 >43 42.7 0.9026 1572.7 1080 >45 44.3 0.8923 1572.4 1090 >46 45.9 0.8821 1560 -
除了中心波长，低反射光纤光栅反射率也是需要重点考虑的因素。在给定泵浦源中心波长为975 nm、掺镱光纤长度为15 m、光纤光栅对中心波长为1080 nm时，从5%、10%、15%到30%改变低反射光纤光栅的反射率，仿真不同情况下激光器的输出特性。
首先仿真得到光谱特性，给出低反射光纤光栅的反射率为5%和15%的典型光谱，如图11所示。可以发现，随着低反射光纤光栅反射率的提高，输出光谱的拉曼斯托克斯光功率增加。SRS抑制比从45.6 dB降低到了27.8 dB。对比仿真得到的输出功率发现，光栅反射率从5%提高到30%时，输出功率也从1593.3 W降低到1487.1 W。
图 11 不同反射率低反射光栅下光纤激光振荡器输出光谱仿真结果。 (a) 反射率为5%；(b) 反射率为15%
Figure 11. Simulation results of output spectrum of the fiber laser oscillator employing output coupling fiber Bragg grating (OCFBG) with different reflectivities. (a) The reflectivity is 5%; (b) The reflectivity is 15%
将不同低反光栅反射率对应的SRS抑制比、腔内最高功率、最终输出功率汇总如表7所示，可以直观地看出低反射光纤光栅反射率与SRS抑制比和输出功率的关系。从表7可知，为了提升激光器输出功率，笔者一般选择反射率较低的低反射光纤光栅，但是这并不意味着反射率越低越好，因为在激光器中，还需要避免其他波段反馈导致的自激，尤其当光纤端面切割角为0°时，端面会有4%的反射率。因此，一般低反射光栅反射率要大于5%，实际应用中选择反射率为6%~12%对激光器输出的影响不是太大。
表 7 不同反射率低反射光栅下光纤激光振荡器的输出特性仿真结果
Table 7. Simulation results of output characteristics of the fiber laser oscillator employing output coupling fiber Bragg grating (OCFBG) with different reflectivities
Reflectivity
of the OCFBGSRS
suppression
ratio/dBHighest power
within laser
cavity/WOutput
power/W5% 45.6 1763 1593.3 10% 43.3 1837 1572.5 15% 41.5 1924 1558.3 30% 27.8 2206 1487.1 -
根据掺镱光纤激光器的吸收发射截面特性，在工业激光器中，一般选择产品较为成熟、泵浦吸收系数相对较高的915 nm和975 nm波段LD作为泵浦源。一般地，掺镱光纤在975 nm处吸收系数是在915 nm处吸收系数的三倍左右。为了达到相同的总吸收系数，采用915 nm泵浦时所需掺镱光纤的长度是采用975 nm泵浦时的三倍。这里，固定激光中心波长选择1080 nm， 低反射光纤光栅反射率10%，仿真975 nmLD泵浦15 m掺镱光纤和915 nm LD泵浦30 m、38.5 m和45 m掺镱光纤的情况对比。首先，975 nm LD泵浦15 m掺镱光纤和915 nm LD泵浦30 m掺镱光纤的光纤激光器的输出光谱和谐振腔内功率分布结果如图12 所示。
图 12 975 nm和915 nm泵浦时不同光纤长度输出光谱与谐振腔功率分布。(a) 975 nm泵浦15 m YDF时的输出光谱；(b) 975 nm泵浦15 m YDF时的谐振腔功率分布； (c) 915 nm泵浦30 m YDF时的输出光谱； (d) 915 nm泵浦30 m YDF时的谐振腔功率分布
Figure 12. Output spectrum and resonator power distribution of different fiber lengths at 975 nm and 915 nm pumping. (a) Output spectrum when 975 nm pumped 15 m YDF; (b) Cavity power distribution when 975 nm pumped 15 m YDF; (c) Output spectrum when 915 nm pumped 30 m YDF; (d) Cavity power distribution when 915 nm pumped 30 m YDF
不同光纤长度下激光器输出特征参数描述如表8 所示。从表8 可知，为了使915 nm泵浦时的残余泵浦光降低到975 nm泵浦的水平，掺镱光纤长度需要增加到38.5 m。此时，915 nm泵浦激光器输出激光的SRS抑制比为27.6 dB，输出功率为1351.1 W，与975 nm泵浦情况相比，SRS抑制比和输出功率都明显下降。
表 8 不同泵浦波长和光纤长度时仿真输出参数
Table 8. Output parameters simulated for different pumping wavelengths and fiber lengths
Pump
wavelength/nmLength of
YDF/mSRS
suppression
ratio/dBResidual
pump
power/WOutput
power/W975 15 43.3 46 1572.5 915 30 35 80 1346.2 915 38.5 27.6 45 1351.1 915 45 26.7 22 1332.9 根据仿真结果可知，采用975 nm波段泵浦比915 nm波段泵浦的输出功率和SRS抑制比都要好。而且由于掺镱光纤长度缩短，还可以降低成本。尽管这里仿真的泵浦波长是固定的，在实际中，非稳波长975 nm LD中心波长可能有偏移，实际需要的掺镱光纤长度可能要稍微长一些，但是并不影响仿真得到的结论。
从上述仿真结果可以发现，在激光器设计中，通过仿真对激光器掺镱光纤、中心波长、光纤光栅反射率和泵浦波长等进行优化，可以实现高功率、高效率和低成本的激光器。因此，在实际工业设计中，为了降低成本，有必要利用SeeFiberLaser等软件对激光器进行优化设计。
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该节利用SeeFiberLaser软件对后向泵浦纤芯直径均匀光纤放大器进行优化设计，通过仿真指导激光器的设计，并明确回答后向泵浦放大器与前向泵浦光纤激光器不完全一致的几个常见问题：相同后向泵浦条件下，增益光纤长度和吸收系数对SRS影响如何？泵浦功率对SRS影响如何？输出传能光纤纤芯直径和长度对SRS影响如何？
首先，为了获得高光束质量激光输出，要考虑控制光纤的数值孔径。这里计算并给出常规纤芯均匀光纤中纤芯直径、数值孔径与归一化截止频率V的关系，如图13所示。
图 13 不同纤芯直径和数值孔径对应的V值
Figure 13. V values corresponding to different core diameters and NAs
根据理论模型，计算支撑六个以下简并模式的光纤纤芯直径与数值孔径如表9所示。
表 9 支撑六个模式的光纤纤芯直径与数值孔径
Table 9. Numerical apertures and core diameters of different optical fiber that supporting 6 modes
Wavelength/
μmCore diameter/
μmNA
(maximum)NA
(design)1.07 25 0.0699 <0.067 1.07 26 0.0672 <0.065 1.07 27 0.0647 <0.062 1.07 28 0.0624 <0.061 1.07 29 0.0603 <0.060 1.07 30 0.0583 <0.056 为了兼顾SRS和TMI抑制，这里考虑设计基于纤芯/包层直径为25/600 μm和28/600 μm的小纤芯包层直径比的光纤。一方面，采用600 μm的内包层直径可以将总泵浦注入提升到20 kW以上，这样通过单独后向泵浦的激光器结构还可以提升SRS阈值；另一方面，通过小纤芯包层直径比的光纤设计可以降低吸收系数，通过结合光纤弯曲可以进一步提升TMI阈值。对于纤芯直径为28 μm、数值孔径为0.061的光纤，在弯曲直径为12 cm时，LP11模损耗为4.908 dB/m，LP01模损耗为1.726×10−3 dB/m。当光纤长度为15 m时，LP11模式的损耗可达73.62 dB，理论上可以实现有效的LP11及其以上的高阶模式抑制。对于纤芯直径为25 μm、数值孔径为0.065的光纤，需要将光纤弯曲直径减少到10 cm，也可以达到类似的效果。
下面对基于25/600 μm的掺镱光纤的后向泵浦光纤放大器进行仿真。仿真参数如表10所示，这里泵浦波长是976 nm，但是降低了掺镱光纤在该波段的吸收系数，本质上与常规光纤选择981 nm波段泵浦提升TMI阈值的思路一样。
表 10 单独后向泵浦25/600 μm光纤放大器的仿真参数
Table 10. Simulation parameters of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier
Parameter Value Parameter Value Core diameter 25 μm Heat transfer coefficient 2000 Cladding diameter 600 μm Environmental temperature 25 ℃ Pump absorption coefficient 0.5-0.75 dB/m@976 nm Core diameter of the input signal fiber 25 μm Pump wavelength 976 nm Cladding diameter of the input signal fiber 600 μm Spectrum shape of the pump Gaussian Length of the input signal fiber 1 m 3 dB linewidth of the pump 1 nm Core diameter of the output signal fiber 50 μm Forward pump power 2000 W Length of the output signal fiber 1 m Length of the YDF 25-35 m Core diameter of the endcap 50 μm Backward pump power 10000-12000 W Length of the endcap’s pigtail fiber 2 Seed power 100 W 在仿真中，利用SeeFiberLaser软件的多参数迭代功能，设置需要遍历仿真的各个参数，如图14(a)所示。仿真后，SeeFiberLaser软件自动将各个参数下得到的输出功率、效率、ASE抑制比等参数列表给出，如图14(b)所示，该数据可以导出为Excel表格格式。利用该方法可以极大地提高仿真速度，直接根据结果进行对比，优化给出光纤激光器各个器件的参数设计方案。
图 14 多参数优化迭代与仿真结果。(a) 各个需要迭代的参数设置； (b) 在不同仿真参数下得到的仿真结果
Figure 14. Multi-parameter optimization iteration and simulation results. (a) Various parameters that need to be iterated; (b) Simulation results under different simulation parameters
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首先，固定25/600 μm光纤的吸收系数为0.6 dB/m，泵浦功率为10 kW，利用SeeFiberLaser仿真光纤长度为25~35 m时对应的输出功率、效率和拉曼抑制比，如表11所示。结果表明，在后向泵浦放大器中，尽管增益光纤长度从25 m增加到35 m，可以将激光输出功率提升200 W以上，但是光纤放大器的SRS并不会非常显著地增加，这与单独前向泵浦得到的结果是完全不同的。主要原因是由于后向泵浦方式下激光功率在掺镱光纤内部分布导致非线性B积分比较小，使得激发的非线性效应尤其是SRS相对较弱。
表 11 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同光纤长度下的仿真结果
Table 11. Simulation results of a counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different fiber lengths
Fiber
length/mOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB25 8188.20 80.88% 41.10 26 8223.40 81.23% 40.87 27 8254.20 81.54% 40.09 28 8280.80 81.81% 38.00 29 8304.10 82.04% 37.55 30 8324.00 82.24% 37.94 31 8341.30 82.41% 37.76 32 8356.50 82.57% 37.57 33 8369.70 82.70% 36.44 34 8381.40 82.81% 37.14 35 8390.80 82.91% 34.39 -
然后，固定光纤长度为30 m，泵浦功率为10 kW，利用SeeFiberLaser仿真不同吸收系数下对应的输出功率、效率和拉曼抑制比，如表12所示。结果表明，后向泵浦放大器中，泵浦吸收系数越大，激光器输出功效率越高、SRS抑制能力越强。这里后向泵浦吸收系数越大，SRS抑制能力越强的结论，也与单独前向泵浦放大器中结论完全相反。
表 12 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同吸收系数下的仿真结果
Table 12. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different absorption coefficients
Pump absorption/
dB·m−1Output
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB0.50 8141.70 80.42% 36.57 0.55 8246.20 81.46% 36.29 0.60 8324.00 82.24% 37.94 0.65 8382.60 82.83% 37.61 0.70 8427.00 83.27% 38.46 -
其次，根据前面对光纤长度、泵浦吸收系数优化的结果，这里固定光纤吸收系数为0.6 dB/m，光纤长度在30~32 m，泵浦功率为10~12 kW，利用SeeFiberLaser仿真并给出对应的输出功率、效率和拉曼抑制比，如表13所示。结果表明，泵浦功率对激光器输出功率和SRS抑制比有较大影响，在光纤吸收系数足够的情况下，对激光器效率基本没有影响。此外，从SRS抑制角度，在泵浦功率为12 kW时，基于25/600 μm掺镱光纤的后向泵浦放大器有望实现10 kW的高功率输出，如果能够对光纤参数进行有效控制，结合光纤弯曲等措施，有望获得8 kW的近单模光纤激光输出。
表 13 后向25/600 μm光纤放大器在光纤长度和不同泵浦功率下的仿真结果
Table 13. Simulation results of a counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with fiber length and different pumping powers
Fiber
length/mPump
power/WOutput
power/WO-E
efficiencySRS suppression
ratio/dB30 10000 8324.0 82.24% 37.94 31 10000 8341.3 82.41% 37.76 32 10000 8356.5 82.57% 37.57 30 11000 9146.1 82.24% 34.46 31 11000 9165.30 82.41% 34.38 32 11000 9181.5 82.56% 33.58 30 12000 9967.2 82.23% 30.78 31 12000 9987.9 82.40% 32.14 32 12000 10005.0 82.54% 31.24 -
在光纤激光器设计中，输出激光的传能光纤纤芯直径和长度对激光器的SRS影响比较大。因此，这里仿真不同光纤直径和不同光纤长度下的输出激光参数。表14给出了泵浦功率10 kW、掺镱光纤长度为30 m、吸收系数0.6 dB/m@976 nm、QBH的传能光纤长度2 m，改变QBH纤芯直径时输出特性的参数。结果表明，在8 kW高功率情况下，将QBH输出尾纤芯径从25 μm增加到50 μm，可以将SRS提升6.7 dB左右。在实际实验中，可以制作25~50 μm的模场适配器，以保证激光在50 μm纤芯传输时具有良好的光束质量。
表 14 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同QBH传能光纤纤芯直径下的仿真结果
Table 14. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different passive fiber core diameters
Fiber core
diameter/μmOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB25 8323.3 82.23% 31.05 30 8323.7 82.24% 34.59 35 8323.6 82.24% 35.83 40 8323.7 82.24% 35.90 45 8323.9 82.24% 36.80 50 8324.0 82.24% 37.73 -
表15给出了泵浦功率10 kW、掺镱光纤长度为30 m、吸收系数0.6 dB/m@976 nm、QBH纤芯直径为30 μm，改变QBH传能光纤长度时输出特性的参数。结果表明，通过缩短光纤，可以有效提高SRS阈值。这与一般工业应用中追求较长的光纤光缆相矛盾，但是在高能激光系统中，并不一定需要非常长的尾纤。
表 15 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同QBH传能光纤长度下的仿真结果
Table 15. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different passive fiber lengths
Fiber
length/mOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB2 8323.8 82.24% 34.46 3 8294.8 81.95% 31.89 4 8264.9 81.65% 28.68 5 8235.1 81.35% 26.73 根据上述仿真结果，可知在后向泵浦放大器中，掺镱光纤吸收系数越大，SRS抑制能力越强；掺镱光纤长度对SRS的影响不像前向泵浦放大器中影响那么大；但是传输高功率的传能光纤长度和纤芯直径都对SRS影响比较大，这些都是激光器优化设计的依据。初步结果表明，采用25/600 μm一类的小纤芯包层直径比光纤，在泵浦吸收系数为0.6 dB/m、光纤长度为30 m时，有望实现8 kW的近单模激光输出。
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基于泵浦波长优化的方法，在2020年前后，课题组初步优选了981、969 nm两个波长的泵浦源以提升激光器的TMI阈值。结果表明，在纤芯直径为30 μm的低功率振荡器中，采用981、969 nm泵浦可将976 nm泵浦的常规纤芯均匀光纤激光器的TMI阈值提升2.2倍和3.45倍[92-93]。
为了同时验证泵浦波长优化和泵浦方向对TMI阈值的影响，笔者设计了双向泵浦放大器的实验，实验结构如图15所示。该激光器中，种子激光（Seed）中心波长为1080 nm，输出功率为100 W。放大器通过前向泵浦信号合束器（FPSC）和后向泵浦信号合束器（BPSC）进行双向泵浦。掺镱光纤纤芯/包层直径为25/400 μm、纤芯数值孔径为0.06、长度为30 m，在915 nm处的吸收系数为0.56 dB/m；为了验证不同泵浦波长的TMI阈值特性，在不改变放大器结构的情况下，分别采用976、981、969 nm的稳波长泵浦源对放大器进行泵浦。
图 15 双向泵浦高功率光纤放大器实验结构
Figure 15. Experimental setup of bi-direction pumped high power fiber laser
实验对比了不同泵浦方式、不同泵浦波长时放大器的TMI阈值，结果如表16所示。从表中可知，976 nm泵浦时，放大器的前向、后向、双向泵浦方式下TMI阈值分别为1417 W、1688 W和3203 W；981 nm泵浦时，放大器的前向、后向、双向泵浦方式下TMI阈值分别为2670 W、3784 W和5030 W，分别提升为976 nm泵浦时的1.88、2.24、1.57倍。在969 nm后向泵浦时，放大器最大输出功率为4073 W，由于泵浦功率限制受限尚未达到TMI阈值，其TMI阈值至少为976 nm泵浦时的2.4倍[94]。
表 16 不同波长泵浦时光纤激光器输出特性实验结果
Table 16. Output characters of the fiber amplifiers with different pump wavelengths in experiment
Pump
wavelength/nmPump
directionMaximum
power/WEfficiency Limitation 976 Co-pump 1417 84.5% TMI Counter-pump 1688 85.3% TMI Bi-pump 3203 85.3% TMI 981 Co-pump 2670 84.3% SRS Counter-pump 3784 86.8% TMI Bi-pump 5030 84.2% SRS 969 Counter-pump 4073 79.2% Pump power 结果表明，后向泵浦TMI阈值可达到前向泵浦TMI阈值的1.4倍以上；981 nm后向泵浦TMI阈值可达976 nm后向泵浦TMI阈值的2.24倍。该实验同时验证了后向泵浦和泵浦波长优化提升TMI阈值的能力。
基于泵浦优化的方法，利用981 nm泵浦实现了5 kW的单模光纤振荡器[39]和6 kW的单模光纤放大器[16]。实验表明，利用981 nm泵浦源不仅具有更高的TMI阈值，还具有更高的激光效率[39]。
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在理论研究基础上，对采用包层恒定、纤芯拉锥（CCTC）的纺锤形掺镱光纤和纤芯直径均匀的掺镱光纤搭建放大器的TMI阈值进行实验研究，实验结构与图15类似。实验中，纺锤形掺镱光纤小端直径为20 μm，大端直径为30 μm，包层直径均为600 μm，长度约为28.5 m，对应等效小纤芯直径为28 μm。纤芯直径均匀掺镱光纤的纤芯/包层直径为28/600 μm，长度约为27.8 m。实验中采用976 nm泵浦源进行双向泵浦，在其他条件不变的情况下，仅更换掺镱光纤进行对比实验。结果表明，采用纤芯直径均匀掺镱光纤时，放大器前、后向泵浦TMI阈值分别为1135 W和2054 W；使用纺锤形掺镱光纤时，放大器前、后向泵浦的TMI阈值分别为1324 W和2493 W，如图16（a）、（b）所示，较纤芯直径均匀光纤放大器的前、后向TMI阈值都得到了大于15%的提升。此外还发现，该放大器中采用纺锤形掺镱光纤比采用纤芯均匀的光纤具有更好的光束质量特性：在各种泵浦方式中，纺锤形掺镱光纤可以实现M2<1.3的光束质量，利用纤芯均匀光纤只能得到M2>1.4的光束质量，如图16（c）所示。
图 16 纺锤形掺镱光纤与纤芯直径均匀掺镱光纤在前、后向泵浦下的TMI阈值与光束质量对比。 (a) 纺锤形掺镱光纤放大器的TMI阈值；（b）纤芯直径均匀掺镱光纤放大器的TMI阈值 ；(c) 两者光束质量对比
Figure 16. Comparision of the TMI and beam quality of the fiber amplifier employing spindle-shaped ytterbium-doped fiber and uniform ytterbium-doped fiber before and after pumping. TMI of the fiber amplifier employing (a) spindle-shaped ytterbium-doped fiber and (b) uniform ytterbium-doped fiber; (c) beam quality comparision of the fiber amplifier employing spindle-shaped and uniform ytterbium-doped fiber
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前述方法均可以提升TMI，但是在常规纤芯均匀的光纤中，优化泵浦波长可以提升TMI阈值，也可能会导致SRS阈值下降。因此，笔者认为，将优化泵浦波长的泵浦源与变纤芯光纤结合，可以较好平衡TMI和SRS，是实现高亮度光纤激光的一个新方法。基于该思路，使用同一预制棒拉制的纺锤形光纤和纤芯直径均匀光纤作为全光纤放大器的增益介质，采用981 nm泵浦源提升TMI阈值，对比放大器的光束质量、TMI和SRS特性[95]。实验结构与图15类似，只是泵浦源和光纤种类不同。实验中，纺锤形光纤长度为30 m，小端纤芯/包层直径为25/400 µm，大端纤芯/包层直径为37.5/600 µm。纤芯均匀光纤长度为31 m，纤芯、包层直径为25/400 µm。采用981 nm泵浦提升二者的TMI阈值，都可以将输出功率提升到6020 W。在输出功率都为6020 W时，二者光束质量基本相同，如图17（a）、（b）所示。对比图17（c）的光谱特性可知，纺锤形光纤激光的拉曼光谱强度比纤芯均匀光纤激光的拉曼光谱强度低4.3 dB。该实验结果表明，综合采用981 nm泵浦和纺锤形光纤，可以同时提升TMI阈值和SRS阈值；在功率、光束质量基本相同的情况下，纺锤形光纤具有更好的SRS抑制能力。
图 17 常规纤芯均匀光纤与纺锤形掺镱光纤的在相同光束质量情况下的光谱特性对比。 (a)常规纤芯直径均匀光纤的光束质量； (b) 纺锤形光纤的光束质量； (c)相同输出功率情况下两种光纤的光谱对比
Figure 17. Comparison of experimental results between SPF and 25/400 µm CCAF under the same conditions. (a) Beam quality of the output laser with CCAF; (b) Beam quality of the output laser with SPF; (c) Comparison of the spectra of the two fibers at the same output power
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除了上述的高功率光纤放大器外，基于泵浦波长优化等方法，还开展了高功率窄线宽放大器的研究，利用单独后向泵浦实现了4 kW窄线宽光纤放大器[96]，基于纺锤形光纤实现了6 kW的高功率振荡放大一体化激光器[97]、7.3 kW高峰值功率准连续（QCW）光纤激光器[98]。基于泵浦波长优化，实现了8 kW空心光斑光纤激光器[33]，20 kW高功率光纤激光器[25]。这里重点介绍课题组基于上述方案实现的6~10 kW高亮度光纤激光器的最新研究结果。
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振荡放大一体化激光器具备光纤振荡器的高稳定性和光纤放大器的高效率特性[99]，目前正逐步替换常规光纤振荡器成为工业领域应用较多的一类光纤激光器。然而，由于激光器结构的特殊性，输出功率提升比放大器更为困难。为了满足高光束质量的应用要求，用常规商业光纤提升该激光器的输出功率，搭建了如图18所示的振荡放大一体化激光器。该激光器由振荡器部分和放大器部分构成，其中振荡部分（OC-Section）由FPSC、高反射光纤光栅（HRFBG）、掺镱光纤（YDF1）、低反射光纤光栅（OCFBG）构成，泵浦光（PS）通过FPSC注入到振荡部分。放大部分（PA-Section）由掺镱光纤（YDF2）和BPSC构成，PS通过BPSC注入放大部分。YDF1为纤芯/包层直径为22/400 μm的掺镱光纤，长度为5 m，吸收系数为0.54 dB/m@915 nm；YDF2为纤芯/包层直径为25/400 μm的掺镱光纤，长度为16 m，吸收系数为0.56 dB/m@915 nm。实验中，经过对比和优化，采用981 nm的稳波长LD替代传统的915 nm和976 nm LD对激光器进行泵浦以提高TMI阈值，单组LD的泵浦功率在850 W左右。CLS和光纤端帽（EC）部分的光纤是纤芯/包层直径为25/400 μm传能光纤，总长度为2.5 m。
图 18 981 nm LD泵浦6 kW级振荡放大一体化光纤激光器实验结构
Figure 18. Experimental setup of 981 nm LD pumped 6 kW level oscillating-amplifying integrated fiber laser
实验首先测试了前、后向泵浦的TMI阈值，结果表明，在前向泵浦时激光器TMI阈值为2124 W，在后向泵浦时，最高输出功率4341 W时，没有出现TMI现象。双向泵浦时，当前向泵浦功率为2700 W、后向泵浦功率为5540 W情况下，获得激输出功率为5989 W，光光效率72.7%，如图19所示。在最高输出功率时，光谱中信号光比SRS强约18.7 dB，如图19(b)所示。在最高功率时，没有出现TMI，最高功率时的光束质量$ M_x^2 = 1.69 $、$ M_y^2 = 1.48 $，如图19(b)所示。该激光器输出功率主要受限于SRS，如果能够进一步提升后向泵浦功率，那么输出功率还可以进一步提升。
图 19 振荡放大一体化激光器实验结果。 (a) 功率效率特性； (b) 不同功率的光谱 ；(c) 光束质量
Figure 19. Experimental results of the oscillating-amplifying integrated fiber laser. (a) Power efficiency characteristics; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
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由于受到非线性效应和模式不稳定效应的限制，目前，国内尚没有输出功率大于7 kW、光束质量小于2的高光束质量LD泵浦光纤激光器的公开报道。这里，基于优化泵浦波长的981 nm LD和后向泵浦方案，提升普通放大器的TMI阈值，实现了7 kW的高光束质量光纤激光输出。实验结构如图20所示，整个实验系统采用主振荡功率放大（MOPA）结构。种子激光中心波长为1080 nm，功率为100 W。种子激光经过模场适配器（MFA）和包层光滤除器（CLS1）后，进入放大级。放大级综合采用981 nm泵浦源和后向泵浦结构，以提升SRS和TMI阈值。实验中，36个功率约为250 W的981 nm LD通过（36+1）×1合束器对掺镱光纤进行泵浦，总泵浦功率在8800 W左右。掺镱光纤纤芯/包层直径为30/600 μm，长度40 m，在915 nm处的吸收系数约为0.4 dB/m。掺镱光纤之后接总长度为5.2 m、纤芯/包层直径为30/400 μm的传能光纤，经过包层光滤除器（CLS2）后由QBH输出。
图 20 基于981 nm LD后向泵浦的7 kW高光束质量光纤激光器实验结构
Figure 20. Experimental setup of 981 nm LD pumped 7 kW fiber laser with good beam quality
实验中，在总泵浦功率为8850 W时，激光输出功率为7310 W，光光效率为82.6%，如图21(a)所示。在最高功率时，光谱图中没有明显的拉曼成分光，如图21(b)所示。在7310 W时，光束质量M2为2.05。通过进一步增加光纤弯曲抑制高阶模式，可以将光束质量M2优化到1.93，如图21(c)所示；此时，由于弯曲也会增加基模损耗，激光器输出功率下降为7020 W。当前输出功率主要受限于泵浦功率，通过增加泵浦功率和进一步优化泵浦波长，有望获得更高功率的激光输出。
图 21 基于981 nm LD后向泵浦的7 kW高光束质量光纤激光器。(a)功率效率； (b) 不同功率的输出光谱； (c)光束质量
Figure 21. Experiment results of the 7 kW fiber amplifier based on counter-pump with pump wavelength of 981 nm. (a) Power efficiency; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
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在第2.3小节中，笔者仿真了基于25/600 μm光纤的高功率光纤激光器，认为其具备高功率高亮度输出的可行性。笔者与合作单位研制了25/600 μm和27/600 μm的小芯包比、低吸收系数光纤，并进行了实验研究，验证该类光纤抑制TMI，获得高功率输出的可行性。实验结构采用如图20所示的后向泵浦放大器，种子激光功率100 W，中心波长1080 nm。使用小芯包比、低吸收系数的27/600 μm掺镱光纤作为放大器增益介质。掺镱光纤的纤芯直径27.2 μm，纤芯数值孔径0.059，在915 nm处的吸收系数为0.27 dB/m。在放大器中，采用14个中心波长为982 nm、输出功率为900 W的非稳波长LD进行后向泵浦。由于没有匹配的传能光纤，种子激光与放大器之间使用20/400 μm~30/600 μm模场适配器，然后将30/600 μm的光纤与27/600 μm掺镱光纤熔接。实验中，光纤缠绕直径从120~240 mm的椭圆形光纤盘上。
在总功率为11700 W时，获得10080 W的功率输出，光光效率为85%，如图22（a）所示。在最高功率时，输出光谱中没有明显的拉曼成分，如图22（b）所示。在最高功率时，激光光束质量M2为2.7。测试曲线如图22（a）所示。该放大器的光束质量，比采用30/600 μm掺镱光纤放大器的光束质量（M2~2.88）有一定提升[100]。由于没有合适的MFA，种子经过放大器光束质量就达到了2.15，使得放大器的光束质量未能达到预期的状态，后续通过定制匹配的传能光纤和器件，优化光纤弯曲，实现高光束质量的激光输出。
图 22 基于27/600 μm光纤的高功率光纤放大器的实验结果。(a) 功率效率；(b) 不同功率的光谱；(c)光束质量
Figure 22. Experiment results of the high power fiber amplifier employing 27/600 μm fiber. (a) Power efficiency; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
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面向未来更高亮度的光纤激光器，一般认为需要具备高功率、高效率、高光束质量、高稳定性、高可靠性等特征。当前，单纤激光输出功率已经突破20 kW，但是其光束质量较差，在高亮度光纤激光器中，如何提升激光器的光束质量是核心和关键所在。为了提升光束质量，需要从影响光束质量的理论、器件、工艺、系统着手考虑进行成体系的设计和优化。这里重点从器件、工艺和系统角度，探讨高亮度光纤激光的发展趋势。具体而言，笔者认为需要综合运用无源器件集成化、增益传能光纤一体化、增益谐振一体化等思路，结合变纤芯直径掺镱光纤、泵浦波长与输出激光波长优化，以提高激光器功率、效率、光束质量和稳定性。
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无源器件集成化的核心思想是在一根传能光纤中制作所需要的各类无源器件，包括光纤光栅（普通光纤布拉格光栅FBG、倾斜光纤布拉格光栅TFBG）、BPSC、CLS、EC等。如图23（a）所示，在传统激光器中，需要将FBG、BPSC、CLS、EC等各个器件进行熔接；无源器件集成化则是将上述四个器件都集成制作在一段传能光纤上（I-FBG-BPSC-CLS-EC），如图23（b）所示。这样，一方面可以减少熔接点、缩短传能光纤长度，抑制非线性效应；另一方面，还可以避免使用不同参数光纤制作器件导致的模式失配、光束质量恶化等问题。在具体实施过程中，可以在单独的传能光纤中制作相关器件，也可以在后面即将描述的增益传能一体化光纤的传能光纤部分制作相关器件。当前国内已有部分厂家将CLS、EC集成为一个器件，随着工艺技术的发展，具备更多功能的集成化无源器件将逐渐成为新常态。
图 23 集成化多功能无源器件替代传统多个器件熔接。（a） 四个独立无源器件熔接在一起；（b）一根传能光纤集成四个无源器件（I-FBG-BPSC-CLS-EC）
Figure 23. Integrated multifunctional passive devices for replacing traditional splicing-based multiple passive devices. (a) Fusion splicing of four independent passive devices; (b) Four passive devices integrated on one single passive fiber without fusion points
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增益传能光纤一体化的核心思想是在预制棒制备过程中，通过控制掺杂气体和加热区域，在一根预制棒内实现非掺杂-掺杂-非掺杂的增益传能一体化光纤预制棒，然后通过光纤拉丝制作增益传能一体的光纤，制作工艺可以参考笔者课题组的相关文献[101]。基于该方法制作的增益传能一体化光纤如图24所示，在长度方向上，该光纤的纤芯为掺杂（AF）-非掺杂（PF）交替变化，内包层、涂覆层一样。
图 24 掺镱传能一体化光纤示意图
Figure 24. Illustration of ytterbium-doped and energy-transfer integrated fiber
结合无源器件集成化的方法，可在掺镱传能一体化光纤的传能光纤上制作多个功能的无源器件，得到图25所示的结果。在一体化光纤的第一个传能光纤区域制作FPSC和HRFBG，在一体化光纤的第二个传能光纤区域制作OCFBG、BPSC、CLS和EC。这样，只需要在FPSC和BPSC的泵浦臂上熔接LD，就可以实现激光输出。因此，通过掺镱传能一体化光纤一体化设计与在线器件制作，可以在无源器件集成化的基础上，进一步提高以减少熔接点、缩短传能光纤，提高输出激光功率、激光效率、光束质量和稳定性。
图 25 在掺镱传能一体化光纤的传能光纤上制作无源器件
Figure 25. Fabrication of functional passive devices on the passive fiber of ytterbium-doped and energy-transfer integrated fiber
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对于工业应用较多的振荡器，为了提高谐振腔的稳定性，还可以考虑增益谐振一体化设计。一种常规的增益谐振一体化方案是在增益光纤上刻写高反射率和低反射率的光纤光栅，如图26（a）所示；该方法已经有多家单位开展研究，由于栅区发热较为严重，可能影响激光器的长期工作稳定性[102]。另一种方案是在增益传能一体化光纤的传能光纤区域制作高反射率和低反射率的光纤光栅，与中间的掺镱光纤构成增益谐振一体化的激光谐振腔，如图26（b）所示。该方案原则上可以避免栅区温度较高的问题。
图 26 增益谐振一体化。（a）在增益光纤上刻写光纤光栅实现增益谐振一体化；（b）在增益传能一体化光纤的传能光纤刻写光纤光栅实现增益谐振一体化
Figure 26. Gain-resonator integrated design. (a) Gain-resonator integrated design with FBGs directly written into the gain fiber; (b) Gain-resonator integrated design with FBGs written into the passive fiber of the ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber
最近，深圳大学报道了大规模光纤光栅阵列飞秒激光全自动制备技术，该技术可以在光纤自动绕纤过程中进行光栅刻写[103]。随着技术的进步，在增益传能光纤一体化实现的基础上，有望实现在光纤拉丝塔上光纤拉制过程中在线对传能光纤进行光栅刻写。
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级联泵浦本身就是一种长波泵浦的方案，然而由于效率等问题，目前鲜有高成本、大体积的级联泵浦光纤激光器用于工业领域的报道。在LD泵浦高功率光纤激光器中，泵浦波长长波化就是通过优化泵浦源，将泵浦波长向990~1020 nm长波波段拓展，如图3所示。一方面可以提高激光器的量子效率，辅助提升TMI阈值；另一方面通过优选1010 nm附近掺镱光纤吸收发射截面较为平坦的泵浦波长，可以降低温度变化导致的波长漂移对吸收系数的影响。尤其是随着1 μm波段高亮度泵浦源和三包层光纤的发展，优化并采用1010 nm波段附近的LD泵浦光纤激光器，还可以替代1018 nm级联泵浦光纤激光器实现高功率、高效率输出。
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泵浦熔点最小化基本思路是提升单个泵浦源功率，减少LD的数量和熔接点数量。典型的，通过优化提升特定光纤耦合输出LD的功率，可以在激光器设计中省去泵浦合束器等器件，如图27所示。如果结合前述增益传能一体化光纤实现无源器件集成化，那么在激光器生产过程中，只需要熔接LD与光纤光栅的熔接点，这样可以极大减化激光器的生产工艺流程，提高激光器的稳定性。当前芯径为135 μm尾纤输出的LD功率可达500 W，通过优化设计，理论上对400 μm、0.46 NA的光纤，LD耦合输出功率可大于9 kW，理论上基于如图27所示的单LD泵浦谐振腔就有望获得大于6 kW的激光输出。当前，部分厂家基于该思路，已经推出了400 μm、3000 W的LD[104]。
图 27 基于高功率LD的无合束器光纤激光器
Figure 27. Fiber laser directly pumped by high power LD without combiner
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根据上述讨论，提出如图28所示的新型近单模高功率光纤激光器结构。总体上，基于变纤芯直径的增益传能一体化光纤（I-APF）和集成化无源器件实现少熔接点的高可靠性振荡放大一体化激光器。振荡放大一体化激光器具有振荡器的高可靠性和放大器的高效率特性[105]，已经实现了6 kW近单模[97]和20 kW多模激光输出[24]，在工业中也得到广泛应用。该激光器的振荡部分（OC-Section）基于增益传能一体化光纤的两段传能光纤(PF1、PF2)和一段增益光纤（AF1）实现，在PF1上制作FPSC、HRFBG，在PF2上制作OCFBG和TFBG，在FPSC的泵浦臂熔接LD，即可构成一个激光振荡器。放大部分（PA-Section）基于增益传能一体化光纤的一段增益光纤（AF2）和一段传能光纤(PF3)实现，在PF3上制作BPSC、CLS和EC；在BPSC的泵浦臂熔接LD，即可构成一个激光放大器。在振荡部分与放大部分之间，没有包层光滤除器和隔离器，这样可以确保泵浦光得以有效吸收，并保证激光器的控制逻辑稳定性。
图 28 基于掺镱传能一体化光纤和一体化多功能无源器件的高功率光纤激光器结构示意图
Figure 28. Illustration of high power fiber laser based on ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber and integrated multifunctional passive devices
近单模光纤激光器的亮度提升，核心是提升激光功率和光束质量。在上述激光器结构基础上，将提升近单模光纤激光器的亮度方法和方向再汇总描述如下：
（1）激光器结构优化：采用振荡放大器一体化结构提高激光器的稳定性和TMI阈值；采用增益谐振一体化结构减少熔接点消除熔点损耗和高阶模式激发以提升激光功率和光束质量；采用后向泵浦方式同时提升SRS和TMI阈值，以提升激光功率，保持光束质量。
（2）掺镱光纤优化：采用变纤芯直径的增益传能一体化光纤（I-APF）提升功率和光束质量，从物理层面通过纤芯直径渐变来平衡TMI和SRS以提升激光功率；在工艺层面通过消除熔点损耗和高阶模式激发以提升激光功率和光束质量。在实际实习过程中，重点要对掺镱光纤的横向纵向参数进行优化设计，包括横截面纤芯/包层几何形态、纤芯/包层直径、包层数量，纤芯掺杂分布、折射率分布、数值孔径、吸收发射截面[106]，纵向不同位置的纤芯直径、包层直径、吸收系数等；然后根据设计要求进行紧密的工艺控制。
（3）泵浦源优化：通过泵浦波长长波化和泵浦亮度提升，来提高激光器TMI阈值和功率；通过泵浦熔点最小化，减少熔接点损耗，提高激光器效率和功率。
（4）无源器件优化：采用集成化无源器件，缩短传能光纤长度以提升SRS阈值，减少熔接点数量以提升激光功率。
需要说明的是，光纤激光器的设计对于工艺依赖较强，这也是国内落后于国外的一个重要原因。文中所述各种提升亮度的方法，需要根据实际应用需求进行设计，如果在工艺受限的情况下，综合应用部分方法有可能突破传统技术方案的功率限制。
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LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点，在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。文中对级联泵浦和LD泵浦的光纤激光器发展现状进行分析，从工业应用来看，目前主要以LD泵浦的光纤激光器为主，鲜有高成本、大体积的级联泵浦光纤激光器用于工业领域的报道。文中分析了光纤激光器设计过程中各种因素对激光器的影响，重点对激光器设计需求矛盾的非线性效应和模式不稳定效应进行分析，提出了有望平衡二者抑制的变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法。为了有效搭建科研到工业的桥梁，国防科技大学提出并联合中国科学院软件研究所开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser，利用该软件对提升光纤激光器功率的方法进行仿真优化。根据提出的方法和理论优化，开展了兼顾SRS和TMI抑制的光纤激光设计方法实验验证，介绍了6~10 kW高亮度光纤激光器的最新结果。最后，对更高亮度光纤激光器的设计方法和技术方案进行讨论和展望。在已有平衡非线性和模式不稳定性效应各种方法的基础上，提出无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路，提出基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和一体化无源器件的高功率光纤激光器实现高亮度激光的可能方案。后续将考虑探索掺镱传能一体化光纤的原理工艺，研究基于增益传能一体化光纤和集成化无源器件的高功率光纤激光器。课题组对掺镱传能一体化光纤生产工艺已有初步思考，但需要设备研制厂商进行深度开发和工艺摸索，如果能够研发出相关设备研制出掺镱传能一体化光纤，并实现在线的一体化器件制作，有望实现我国光纤激光器从跟跑到并跑的跨越。
致 谢 感谢华中科技大学李进延教授课题组、江苏法尔胜股份有限公司提供的变纤芯直径光纤；感谢笔者单位潘志勇、黄良金、闫志平、杨欢等老师在光纤设计中的帮助；感谢徐小勇、宋涛、张坤、钟鹏飞在实验中的帮助；感谢丁欣怡同学协助部分论文作图。
Design, simulation and implementation of direct LD pumped high-brightness fiber laser (invited)
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摘要: LD泵浦掺镱光纤激光器具有低成本、高效率、高光束质量等优点，在工业、科研、国防等领域有着广泛的应用。在大部分实际应用中，由功率和光束质量决定的亮度是影响光纤激光器实际作用性能的核心指标。受到非线性效应（尤其是受激拉曼散射）和模式不稳定效应的限制，当前高亮度掺镱光纤激光器输出功率提升遭遇了明显的技术瓶颈。为了抑制非线性效应和模式不稳定效应，在传统方法的基础上，提出了变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等成体系的方法以提升光纤激光器的输出功率；为了有效提高对光纤激光器的设计研发能力，提出并开发了具有自主知识产权的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser。首先，介绍了影响宽谱高功率掺镱光纤激光器亮度提升的主要限制因素，给出了各个限制因素的抑制方法；其次，利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberLaser对提升光纤激光器功率的方法进行优化设计，并对工业常用的振荡器和高亮度光纤激光放大器进行仿真优化；然后，介绍课题组采用后向泵浦、变纤芯直径光纤和优化泵浦波长等方法提升激光功率，实现的6~10 kW高亮度功率光纤激光器；最后，对更高亮度光纤激光器的技术方案进行讨论和展望，提出了无源器件集成化、增益传能光纤一体化等思路，提出了基于变纤芯直径增益传能一体化光纤和集成化无源器件的新型高功率近单模光纤激光器技术方案。Abstract:
Significance Direct LD pumped high power fiber lasers have the advantages of low cost, high conversion efficiency, and good beam quality, finding applications as diverse as industrial processing, medical treatment and fundamental research, etc. The brightness, which is determined by the output power and beam quality, is a crucial parameter of fiber lasers that affects the application effectiveness. However, the power scaling of high-brightness fiber lasers is mainly constrained by the nonlinear effects and the transverse mode instability (TMI). It is noteworthy that IPG Photonics announced the 10 kW and 20 kW single-mode fiber laser in 2009 and 2013, respectively, but no domestic fiber laser products with > 6 kW output power and beam quality factor M2<2.0 are commercially available until now (Mar.2023). There are multiple reasons for the huge gap between the domestic high-brightness fiber laser industry and its foreign counterparts. In addition to the late start time and the less advanced material processing technology, the lack of theoretical guidance and original theoretical-based solutions make it difficult to overcome the technical bottleneck for power scaling of high-brightness fiber lasers, and the lack of fiber laser simulation software also slowed down the process from fundamental research and laboratory demonstration to industrial products. Therefore, it is of significant necessity to develop fiber laser software to aid the fiber laser design and accelerate the process from simulation results to industrial products. Progress To overcome the aforementioned difficulties, researchers from National University of Defense Technology have conducted fundamental theoretical research and developed fiber laser simulation software SeeFiberLaser with independent intellectual property rights. The software can simulate the generation, amplification and transmission of fiber lasers with different time domain characteristics and effects such as amplified spontaneous radiation, stimulated Raman scattering (SRS), stimulated Brillouin scattering and transverse mode competition can be considered in the simulation. The simulation results can output data of the power, spectrum, spot pattern, and time domain as required, which greatly helps the study of fiber laser theory, engineering design and scientific research. With the aim of suppressing SRS and TMI, systematic solutions are proposed, including exploiting the backward pump scheme, optimizing the pump wavelength, employing spindle-shaped fiber design, etc., which are proven effective to improve the performance of fiber lasers through theoretical simulation. Then, industrial fiber oscillators are simulated and optimized based on the SeeFiberLaser software by studying the effects of the active fiber length, operating wavelength, the reflectivity of the output coupling fiber Bragg grating, and the pump wavelength. Furthermore, high-brightness fiber amplifiers that are capable of delivering 8-10 kW output power are simulated and optimized based on the SeeFiberLaser software by considering the active fiber's length and pump absorption coefficient, the backward pump power as well as the core diameter and length of the quartz block head. Furthermore, experimental studies are carried out to verify the effectiveness of the above-mentioned theoretical solutions, including optimizing the pump wavelength as well as employing backward pumping for improved TMI threshold, and exploiting spindle-shaped fiber for SRS and TMI mitigation. Moreover, a 6 kW oscillating-amplifying high-brightness fiber laser based on pump wavelength optimization, 7 kW backward pumped high-brightness fiber laser, and 10 kW fiber laser based on fiber with a small core-to-cladding ratio are experimentally demonstrated, fully proving the functionality and great potential of the proposed solutions. Last but not least, the technical schemes of higher brightness fiber laser are prospected, which include employing integrated multifunctional passive devices on a single piece of passive fiber, adopting ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber, and exploiting gain-resonator integrated design scheme, facilitating better good beam quality and improved stability. Conclusions and Prospects Power scaling of high-brightness fiber laser is a complex yet challenging work, which requires comprehensive investigation and optimization. This paper analyzes the impact of various factors on the laser in the fiber laser design process and proposes methods, such as variable core diameter fiber, optimized pump wavelength, etc., to improve the performance of fiber lasers. Noteworthily, the SeeFiberLaser software is developed to bridge the fundamental research outcomes of fiber laser technology and industrial products, which were proven quite effective in high-power fiber laser optimization for both industrial and research use. In addition, 6-10 kW high-brightness fiber lasers have been experimentally demonstrated based on the proposed optimization solutions. Looking forward, higher-brightness robust fiber laser could be expected by developing integrated multifunctional passive devices, ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber design, and gain-resonator integrated design scheme. -
Key words:
- fiber lasers /
- nonlinear effects /
- mode instability /
- laser brightness /
- simulation software
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图 1 SRS和TMI对光纤激光器设计需求矛盾示意图
Figure 1. SRS and TMI have conflicting requirements for fiber laser design
图 2 变纤芯直径光纤结构及其在光纤激光器中使用时的弯曲示意图
Figure 2. Structure of fiber with variable core diameter and its bending diagram for use in fiber lasers
图 3 传统激光器泵浦波长和优化TMI阈值的新泵浦波段
Figure 3. Traditional laser pumping wavelength and new pumping waveband for optimized TMI threshold
图 4 不同泵浦方式光纤放大器中功率分布与归一化B积分。 (a) 放大器中的功率分布； (b) 归一化B积分
Figure 4. Power distribution and normalized B-integral in fiber amplifier under different pump configuration. (a) Power distribution in the amplifier; (b) Normalized B-integral
图 5 976 nm泵浦时前、后向泵浦的TMI阈值仿真
Figure 5. Simulation of TMI thresholds in co-pump and counter pump configuration with a pump wavelength of 976 nm
图 6 不同波长前向泵浦时30/400 μm光纤放大器的TMI阈值仿真结果
Figure 6. Simulation results of TMI threshold at different pump wavelengths in co-pump configuration of 30/400 μm amplifiers
图 7 不同光纤放大器的TMI阈值和输出拉曼功率
Figure 7. TMI threshold and output Raman power of different fiber amplifiers
图 8 连续光纤振荡器SeeFiberLaser仿真模型
Figure 8. SeeFiberLaser simulation model of continuous fiber oscillator
图 9 不同掺镱光纤长度时1080 nm光纤振荡器输出光谱。 (a) 掺镱光纤10 m输出光谱； (b) 掺镱光纤20 m输出光谱
Figure 9. Output spectrum of 1080 nm fiber oscillator with different ytterbium-doped fiber lengths. (a) Output spectrum when the ytterbium fiber is 10 m; (b) Output spectrum when the ytterbium fiber is 20 m
图 10 不同中心波长时光纤激光器输出光谱 。(a) 中心波长1050 nm时的输出光谱 ；(b) 中心波长1080 nm时端帽的输出光谱
Figure 10. Fiber laser output spectrum at different central wavelengths. (a) Output spectrum when the central wavelength of the FBG is 1050 nm; (b) Output spectrum when the central wavelength of the FBG is 1080 nm
图 11 不同反射率低反射光栅下光纤激光振荡器输出光谱仿真结果。 (a) 反射率为5%；(b) 反射率为15%
Figure 11. Simulation results of output spectrum of the fiber laser oscillator employing output coupling fiber Bragg grating (OCFBG) with different reflectivities. (a) The reflectivity is 5%; (b) The reflectivity is 15%
图 12 975 nm和915 nm泵浦时不同光纤长度输出光谱与谐振腔功率分布。(a) 975 nm泵浦15 m YDF时的输出光谱；(b) 975 nm泵浦15 m YDF时的谐振腔功率分布； (c) 915 nm泵浦30 m YDF时的输出光谱； (d) 915 nm泵浦30 m YDF时的谐振腔功率分布
Figure 12. Output spectrum and resonator power distribution of different fiber lengths at 975 nm and 915 nm pumping. (a) Output spectrum when 975 nm pumped 15 m YDF; (b) Cavity power distribution when 975 nm pumped 15 m YDF; (c) Output spectrum when 915 nm pumped 30 m YDF; (d) Cavity power distribution when 915 nm pumped 30 m YDF
图 13 不同纤芯直径和数值孔径对应的V值
Figure 13. V values corresponding to different core diameters and NAs
图 14 多参数优化迭代与仿真结果。(a) 各个需要迭代的参数设置； (b) 在不同仿真参数下得到的仿真结果
Figure 14. Multi-parameter optimization iteration and simulation results. (a) Various parameters that need to be iterated; (b) Simulation results under different simulation parameters
图 15 双向泵浦高功率光纤放大器实验结构
Figure 15. Experimental setup of bi-direction pumped high power fiber laser
图 16 纺锤形掺镱光纤与纤芯直径均匀掺镱光纤在前、后向泵浦下的TMI阈值与光束质量对比。 (a) 纺锤形掺镱光纤放大器的TMI阈值；（b）纤芯直径均匀掺镱光纤放大器的TMI阈值 ；(c) 两者光束质量对比
Figure 16. Comparision of the TMI and beam quality of the fiber amplifier employing spindle-shaped ytterbium-doped fiber and uniform ytterbium-doped fiber before and after pumping. TMI of the fiber amplifier employing (a) spindle-shaped ytterbium-doped fiber and (b) uniform ytterbium-doped fiber; (c) beam quality comparision of the fiber amplifier employing spindle-shaped and uniform ytterbium-doped fiber
图 17 常规纤芯均匀光纤与纺锤形掺镱光纤的在相同光束质量情况下的光谱特性对比。 (a)常规纤芯直径均匀光纤的光束质量； (b) 纺锤形光纤的光束质量； (c)相同输出功率情况下两种光纤的光谱对比
Figure 17. Comparison of experimental results between SPF and 25/400 µm CCAF under the same conditions. (a) Beam quality of the output laser with CCAF; (b) Beam quality of the output laser with SPF; (c) Comparison of the spectra of the two fibers at the same output power
图 18 981 nm LD泵浦6 kW级振荡放大一体化光纤激光器实验结构
Figure 18. Experimental setup of 981 nm LD pumped 6 kW level oscillating-amplifying integrated fiber laser
图 19 振荡放大一体化激光器实验结果。 (a) 功率效率特性； (b) 不同功率的光谱 ；(c) 光束质量
Figure 19. Experimental results of the oscillating-amplifying integrated fiber laser. (a) Power efficiency characteristics; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
图 20 基于981 nm LD后向泵浦的7 kW高光束质量光纤激光器实验结构
Figure 20. Experimental setup of 981 nm LD pumped 7 kW fiber laser with good beam quality
图 21 基于981 nm LD后向泵浦的7 kW高光束质量光纤激光器。(a)功率效率； (b) 不同功率的输出光谱； (c)光束质量
Figure 21. Experiment results of the 7 kW fiber amplifier based on counter-pump with pump wavelength of 981 nm. (a) Power efficiency; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
图 22 基于27/600 μm光纤的高功率光纤放大器的实验结果。(a) 功率效率；(b) 不同功率的光谱；(c)光束质量
Figure 22. Experiment results of the high power fiber amplifier employing 27/600 μm fiber. (a) Power efficiency; (b) Spectra in different power; (c) Beam quality
图 23 集成化多功能无源器件替代传统多个器件熔接。（a） 四个独立无源器件熔接在一起；（b）一根传能光纤集成四个无源器件（I-FBG-BPSC-CLS-EC）
Figure 23. Integrated multifunctional passive devices for replacing traditional splicing-based multiple passive devices. (a) Fusion splicing of four independent passive devices; (b) Four passive devices integrated on one single passive fiber without fusion points
图 24 掺镱传能一体化光纤示意图
Figure 24. Illustration of ytterbium-doped and energy-transfer integrated fiber
图 25 在掺镱传能一体化光纤的传能光纤上制作无源器件
Figure 25. Fabrication of functional passive devices on the passive fiber of ytterbium-doped and energy-transfer integrated fiber
图 26 增益谐振一体化。（a）在增益光纤上刻写光纤光栅实现增益谐振一体化；（b）在增益传能一体化光纤的传能光纤刻写光纤光栅实现增益谐振一体化
Figure 26. Gain-resonator integrated design. (a) Gain-resonator integrated design with FBGs directly written into the gain fiber; (b) Gain-resonator integrated design with FBGs written into the passive fiber of the ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber
图 27 基于高功率LD的无合束器光纤激光器
Figure 27. Fiber laser directly pumped by high power LD without combiner
图 28 基于掺镱传能一体化光纤和一体化多功能无源器件的高功率光纤激光器结构示意图
Figure 28. Illustration of high power fiber laser based on ytterbium-doped and energy transfer integrated fiber and integrated multifunctional passive devices
表 1 近年来高功率光纤激光器发展现状
Table 1. Development of high efficiency fiber laser in recent years
Year Company/Institute Configuration Pump scheme Power/kW Beam quality Brightness Reference 2009 IPG Photonics，USA Amplifier Tandem pump 10 M2~1.3 ~5.073×1015 [26] 2016 NUDT, China Amplifier Tandem pump 10 - - [27] 2021 Tsinghua, China Amplifier Tandem pump 9.01 - - [28] 2021 CAEP & Tsinghua, China Amplifier Tandem pump 20.01 - - [23] 2021 CAEP, China Amplifier Tandem pump 20.88 βfl~2.96 ~2.043×1015 [21] 2022 CAEP, China Amplifier Tandem pump 21.39 βfl~3.86 ~1.231×1015 [20] 2022 NUDT, China Amplifier Tandem pump 20.22 M2~3.3 ~1.592×1015 [29] 2017 TJ Univ., China Amplifier LD pump 5.01 <1.8 ~1.326×1015 [30] 2018 CAEP, China Amplifier LD pump 10.6 βfl~3.86 ~6.099×1014 [31] 2019 SIOM, China Amplifier LD pump 10 - - [22] 2020 DK laser, China Amplifier LD pump 6 M2~2.2 ~1.063×1015 [32] 2021 NUDT, China Amplifier LD pump 6 M2<1.3 >3.044×1015 [16] 2021 NUDT, China Amplifier LD pump 8 M2~2.5 ~1.097×1015 [33] 2022 NUDT, China Amplifier LD pump 13 M2~2.85 ~1.372×1015 [34] 2021 Maxphotonics, China Amplifier LD pump 12 BBP~1.2 mm·mrad 8.443×1014 [35] 2021 Raycus laser, China Amplifier LD pump 12 BBP~3.6 mm·mrad 9.382×1013 [36] 2022 Raycus laser, China Amplifier LD pump 22.07 M2 ~9.68 ~2.019×1014 [24] 2022 NUDT, China Amplifier LD pump 20.27 M2 ~7@15 kW ~2.625×1014 [25] 2014 IPG Photonics Oscillator LD pump 10 M2<1.1 >7.085×1015 [37] 2018 NUDT, China Oscillator LD pump 5 M2~2.2,1.4 ~2.187×1015 [38-39] 2018 Universität Jena, Germany Oscillator LD pump 4.8 M2~1.3 ~2.435×1015 [40-41] 2019 Lumentum, USA Oscillator LD pump 4.2 BBP~1.5 mm·mrad 1.891×1014 [42] 2019 GW laser, China Oscillator LD pump 4 Single mode - [43] 2019 Reci laser, China Oscillator LD pump 4 Single mode - [44] 2019 FeiBo laser, China Oscillator LD pump 4 Ring laser - [45] 2020 DK laser, China Oscillator LD pump 5 M2~2.4 ~7.442×1014 [46] 2020 Fujikura, Japan Oscillator LD pump 8 M2~1.5 ~3.048×1015 [10] 2020 NUDT, China Oscillator LD pump 7 M2~2.4 ~1.042×1015 [47] 2022 NUDT, China Oscillator LD pump 7.92 M2~2.8 ~8.661×1014 [48] 2023 Reci Laser, China Oscillator LD pump 6 - - [49] 
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表 2 光纤激光器中各个物理效应对激光输出特征参数的影响
Table 2. Influence of physical effects on laser output characteristic parameters in fiber laser
Parameters Physical effects Power Time domain Beam quality Spectrum In which laser ASE √ √ √ All fiber laser SBS √ √ √ Single-frequency
and narrow linewidth
fiber laserSRS √ √ √ √ All fiber laser SPM √ √ All fiber laser XPM √ √ None single-
frequency laserFWM √ √ None single-
frequency laserTMI √ √ √ √ All fiber laser
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表 3 仿真中几种光纤参数的描述
Table 3. Main parameters of fibers used in simulation
Fiber Core diameter/µm Cladding diameter/µm Fiber1 20-30-20 400-600-400 Fiber2 20 400 Fiber3 25 500 Fiber4 30 600
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表 4 光纤振荡器仿真主要参数设置
Table 4. Main parameters of fiber oscillator simulation
Parameter Value Parameter Value Spectrum shape of the pump Gaussian Type of YDF User-defined 20/400 Central wavelength of the pump 915-975 nm Length of YDF 15-30 m 3 dB linewidth of the pump 3 nm Core diameter of YDF 20 μm Forward pump power 1000 W Inner cladding diameter of YDF 400 μm Backward pump power 1000 W Pump absorption coefficient 1.26 dB/m@975 nm Reflection spectrum of HRFBG Gaussian Reflection spectrum of OCFBG Gaussian Central wavelength of HRFBG 1050-1090 nm Central wavelength of OCFBG 1050-1090 nm Reflectivity of the HRFBG 99% Reflectivity of the OCFBG 5%-30% Length of endcap’s pigtail fiber 3 m Length of the rest pigtail fiber 1 m Raman delayed response fraction 0.18 Raman noise 1×10−12 W Raman gain coefficient 1.22×10−14 s Vibration damping time 3.2×10−14 s Nonlinear refractive index coefficient 2.6×10−20 m2/W
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表 5 不同掺镱光纤长度时光纤振荡器仿真输出结果
Table 5. Fiber oscillator simulation results with different ytterbium-doped fiber lengths
Length of YDF/m SRS suppression ratio/dB Residual pump power/W Output power/W 10 51.4 160 1512.8 15 43.3 46 1572.5 20 39.6 16 1572.2
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表 6 不同中心波长光纤激光振荡器仿真输出参数
Table 6. Simulation output parameters of fiber laser oscillators with different central wavelengths
Central
wavelength/nmASE
suppression
ratio/dBSRS
suppression
ratio/dBQuantum
efficiencyOutput
power/W1050 32.5 >32.5 0.9231 1480 1060 43.5 >43.5 0.9128 1558 1070 >43 42.7 0.9026 1572.7 1080 >45 44.3 0.8923 1572.4 1090 >46 45.9 0.8821 1560
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表 7 不同反射率低反射光栅下光纤激光振荡器的输出特性仿真结果
Table 7. Simulation results of output characteristics of the fiber laser oscillator employing output coupling fiber Bragg grating (OCFBG) with different reflectivities
Reflectivity
of the OCFBGSRS
suppression
ratio/dBHighest power
within laser
cavity/WOutput
power/W5% 45.6 1763 1593.3 10% 43.3 1837 1572.5 15% 41.5 1924 1558.3 30% 27.8 2206 1487.1
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表 8 不同泵浦波长和光纤长度时仿真输出参数
Table 8. Output parameters simulated for different pumping wavelengths and fiber lengths
Pump
wavelength/nmLength of
YDF/mSRS
suppression
ratio/dBResidual
pump
power/WOutput
power/W975 15 43.3 46 1572.5 915 30 35 80 1346.2 915 38.5 27.6 45 1351.1 915 45 26.7 22 1332.9
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表 9 支撑六个模式的光纤纤芯直径与数值孔径
Table 9. Numerical apertures and core diameters of different optical fiber that supporting 6 modes
Wavelength/
μmCore diameter/
μmNA
(maximum)NA
(design)1.07 25 0.0699 <0.067 1.07 26 0.0672 <0.065 1.07 27 0.0647 <0.062 1.07 28 0.0624 <0.061 1.07 29 0.0603 <0.060 1.07 30 0.0583 <0.056
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表 10 单独后向泵浦25/600 μm光纤放大器的仿真参数
Table 10. Simulation parameters of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier
Parameter Value Parameter Value Core diameter 25 μm Heat transfer coefficient 2000 Cladding diameter 600 μm Environmental temperature 25 ℃ Pump absorption coefficient 0.5-0.75 dB/m@976 nm Core diameter of the input signal fiber 25 μm Pump wavelength 976 nm Cladding diameter of the input signal fiber 600 μm Spectrum shape of the pump Gaussian Length of the input signal fiber 1 m 3 dB linewidth of the pump 1 nm Core diameter of the output signal fiber 50 μm Forward pump power 2000 W Length of the output signal fiber 1 m Length of the YDF 25-35 m Core diameter of the endcap 50 μm Backward pump power 10000-12000 W Length of the endcap’s pigtail fiber 2 Seed power 100 W
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表 11 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同光纤长度下的仿真结果
Table 11. Simulation results of a counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different fiber lengths
Fiber
length/mOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB25 8188.20 80.88% 41.10 26 8223.40 81.23% 40.87 27 8254.20 81.54% 40.09 28 8280.80 81.81% 38.00 29 8304.10 82.04% 37.55 30 8324.00 82.24% 37.94 31 8341.30 82.41% 37.76 32 8356.50 82.57% 37.57 33 8369.70 82.70% 36.44 34 8381.40 82.81% 37.14 35 8390.80 82.91% 34.39
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表 12 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同吸收系数下的仿真结果
Table 12. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different absorption coefficients
Pump absorption/
dB·m−1Output
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB0.50 8141.70 80.42% 36.57 0.55 8246.20 81.46% 36.29 0.60 8324.00 82.24% 37.94 0.65 8382.60 82.83% 37.61 0.70 8427.00 83.27% 38.46
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表 13 后向25/600 μm光纤放大器在光纤长度和不同泵浦功率下的仿真结果
Table 13. Simulation results of a counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with fiber length and different pumping powers
Fiber
length/mPump
power/WOutput
power/WO-E
efficiencySRS suppression
ratio/dB30 10000 8324.0 82.24% 37.94 31 10000 8341.3 82.41% 37.76 32 10000 8356.5 82.57% 37.57 30 11000 9146.1 82.24% 34.46 31 11000 9165.30 82.41% 34.38 32 11000 9181.5 82.56% 33.58 30 12000 9967.2 82.23% 30.78 31 12000 9987.9 82.40% 32.14 32 12000 10005.0 82.54% 31.24
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表 14 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同QBH传能光纤纤芯直径下的仿真结果
Table 14. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different passive fiber core diameters
Fiber core
diameter/μmOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB25 8323.3 82.23% 31.05 30 8323.7 82.24% 34.59 35 8323.6 82.24% 35.83 40 8323.7 82.24% 35.90 45 8323.9 82.24% 36.80 50 8324.0 82.24% 37.73
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表 15 后向泵浦25/600 μm光纤放大器在不同QBH传能光纤长度下的仿真结果
Table 15. Simulation results of counter-pumped 25/600 μm fiber amplifier with different passive fiber lengths
Fiber
length/mOutput
power/WO-O
efficiencySRS suppression
ratio/dB2 8323.8 82.24% 34.46 3 8294.8 81.95% 31.89 4 8264.9 81.65% 28.68 5 8235.1 81.35% 26.73
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表 16 不同波长泵浦时光纤激光器输出特性实验结果
Table 16. Output characters of the fiber amplifiers with different pump wavelengths in experiment
Pump
wavelength/nmPump
directionMaximum
power/WEfficiency Limitation 976 Co-pump 1417 84.5% TMI Counter-pump 1688 85.3% TMI Bi-pump 3203 85.3% TMI 981 Co-pump 2670 84.3% SRS Counter-pump 3784 86.8% TMI Bi-pump 5030 84.2% SRS 969 Counter-pump 4073 79.2% Pump power
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