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俞娟，倪力，彭昆，向恒，冷晓晓，林傲祥
（中国工程物理研究院化工材料研究所，四川 绵阳 621900）
（通信作者：俞娟，54795150@qq.com；林傲祥，10778713@qq.com。）
模式不稳定（TMI）现象是光纤激光输出功率达到一定阈值后，输出光由稳定的基模变化为毫秒时间尺度上基模与高阶模的动态耦合过程，导致光束质量的退化及系统功率下降等问题。TMI阈值限制了高光束质量光纤激光器功率的进一步提升，而光纤激光器系统的TMI阈值受激光光纤材料本身、泵浦波长、系统设计结构等多种因素影。
面向高端特种光纤激光器研制需求，突破限制光纤激光器系统功率输出和性能提升的技术瓶颈，中国工程物理研究院化工材料研究所高功率光纤激光技术所地联合创新中心团队采用模式裁剪制备工艺技术，率先推出了国内首创、特别适合976 nm-LD端面泵浦方式的第1.5代YDF特种激光光纤，参数见表1，有效提升了光纤激光系统的TMI阈值，显著优化了激光输出的光束质量M2。相对于目前普遍使用的第1.0代铝磷硅三元体系光纤（Yb-APS），第1.5代YDF特种激光光纤的激光功率提升约20%，光束质量M2优化约20%，集中展现了高功率、高效率、高TMI阈值、M2优化的“三高一优”的技术特点，可供工业市场高端客户选择和军工领域应用。
表1 第1.5代YDF特种激光光纤参数
Laser Power | Beam Quality | |
LMA-14/250-YDF | P=2.0+kW | M2~1.05 |
LMA-20/400-YDF | P=3~4kW | M2~1.10 |
LMA-25/400-YDF | P=4~6kW | M2~1.20 |
LMA-30/400-YDF | P=6~8kW | M2~1.30 |
LMA-40/250-YDF | P=10~12kW | M2~2.00@10kW |
LMA-48/400-YDF | P=20~30kW | β≤2.00@30kW |
PLMA-20/400-YDF | P=2~3kW | M2~1.20 |
PLMA-25/400-YDF | P=3~5kW | M2~1.30 |
表2给出了第1.5代LMA-14/250-YDF特种激光光纤参数，纤芯直径14μm左右，976nm波长处吸收系数适中，纤芯数值孔径NA低于0.075（图1），该光纤特别适合976端面泵浦技术路线，可实现2kW以上高光束质量单模激光输出，光束质量M2~1.05接近物理衍射极限（单模。图2），匹配使用14/360-RCF环芯传能纤（图3）能够实现单模激光传输。
表2 第1.5代LMA-14/250-YDF特种激光光纤参数
Parameters | Specification |
Peak Cladding Absorption @915nm | 0.50±0.15 dB/m |
Peak Cladding Absorption @976nm | 1.50±0.25 dB/m |
Cladding Attenuation@1095nm | ≤10 dB/km |
Core Attenuation@1200nm | ≤10 dB/km |
Core Attenuation@1300nm | ≤15 dB/km |
Core NA | 0.070±0.005 |
Cladding NA（5%） | ≥0.46 |
Core/Clad Offset | ≤1.0 μm |
Core Diameter | 14.3±0.5 μm |
Clad Diameter (Flat-to-Flat) | 250±5.0 μm |
Max. Output Power | ≥2.0kW |
Slope Efficiency @976nm | ≥78% |
Beam Quality（M2） | ~1.05 |
1 第1.5代LMA-14/250-YDF特种激光光纤包层吸收谱
图2 第1.5代LMA-14/250-YDF特种激光光纤2kW功率的M2光束质量
图3 14/360-RCF环芯传能纤横截面图
研制的第1.5代YDF特种激光光纤，可以支撑高光束质量的第1.5代高端工业光纤激光器，匹配使用TDF锥形传能光纤、RCF环芯传能纤等高端定制型特种光纤材料器件套装，可以有效满足新能源电池焊接行业的“纤芯单模、芯环分离”的光源需求，为高端精密激光焊接领域客户打造专属的产品技术路线，避免“红海内卷”，市场“闲庭信步”，以高科技附加值的第1.5代YDF特种激光光纤激光器占领特需市场。同时，第1.5代YDF特种激光光纤可以“三高一优”技术优势有效支撑高亮度激光装备研发生产，在强激光技术领域拥有更为广泛的应用前景。
该研究项目获得高功率光纤激光技术所级重大专项及高功率光纤激光技术所地联合创新中心项目支持；研究成果将以研究快报形式发表于《强激光与粒子束》2024年第10期。doi: 10.11884/HPLPB202436.240268。
