单纤1.94kw的1018nm光纤激光器设计

本文是清华大学团队发表的研究成果。《强激光与粒子束》杂志2026年第6期《1018nm光纤激光器实现单纤1.94kw激光输出》。感兴趣的可以参考原文。

1.背景

1018nm的光纤激光器常用作级联泵浦高功率掺镱光纤激光器的泵浦源。直接泵浦方案中一般选用976nm的半导体激光器作为泵浦源。为了实现更高功率的掺镱光纤激光器，提高泵浦光源的功率是一种重要手段。

而1018nm的光纤激光器受限于放大自发辐射效应，输出功率一直难以显著提高。这项研究通过优化参数设计，实现了2kw级的1018nm光纤激光器。

2.理论分析与设计

实验光路示意图如下所示。泵浦源使用976nm的锁波长半导体激光器WS-LD。每个WS-LD可提供约250W泵浦功率，通过合束器耦合进掺镱光纤谐振腔中。整个系统采用双向级联泵浦的方案。

通过理论计算仿真，深入分析了掺镱光纤（YDF）和光纤光栅FBG的相关参数，从而得到激光输出功率、光光转换效率、ASE抑制比（SAR）等输出特性的变化规律，并确定了最优参数值。

（1）激光输出特性与掺镱光纤长度、泵浦光吸收系数的关系

图a显示，SAR与掺镱光纤长度、泵浦光吸收系数是负相关的。图b显示，光光转换效率则与两者正相关。

图c显示的是，在泵浦吸收系数为6dB/m时，不同YDF长度下的输出光谱仿真情况。在L=2.9m时，1035nm附近有很突出的波峰，这是由于放大自发辐射产生的光，在1018nm激光器设计中应该要避免这种情况。

（2）激光输出特性与掺镱光纤长度、输出耦合光栅OC-FBG反射率的关系

在上述仿真的基础上，选取吸收系数为6dB/m进行本部分仿真。

图a显示，SAR随掺镱光纤长度增加而降低，随反射率增加而增加。

图b显示，光光转换效率在红色区域内最高，它不是YDF长度单调变化。因为YDF太短会造成泵浦光吸收不充分，降低效率；YDF过长则会导致1018nm信号光被重吸收，产生1035nm左右的光，同样会降低效率。

（3）光纤盘绕直径与转换效率、输出光场分布的关系

进一步，设定YDF长度为2.6m，研究光纤盘绕直径对输出的影响。

下图中显示，随着盘绕直径变大，光光转换效率不断提高，在8cm以后变化不明显。而基模占比逐渐降低。

在盘绕直径小10cm的范围内，直径越小，基模比例越大，因为高阶模几乎都从弯曲的光纤泄露出去了，甚至连基模会有泄露，这就是导致光光转换效率降低的原因。

3.结果

最终方案选定YDF为2.6m，光栅反射率分别为99.5%、20%。光纤盘绕直径8cm。前后向泵浦功率分别为1500W、1040W，输出功率达到1940W，光光转化效率76.38%。

同时，在实际实验中研究人员还发现了TMI模式不稳定效应，并通过减小盘绕直径的方法，提高TMI的阈值来抑制TMI效应。