泵浦吸收系数如何决定光纤激光器的功率天花板

高功率光纤激光器的每一次功率跃升，背后都藏着一场与热效应的拉锯战

01 模式不稳定：光纤激光器的隐形天花板

模式不稳定发生前后，输出光斑从稳定的单模光斑变成多瓣混合光斑

要理解这项研究的价值，首先要搞清楚什么是模式不稳定。

光纤激光器的核心是一根掺杂稀土离子的增益光纤。在理想情况下，激光器输出的是单一的基模（LP01模），光束质量接近衍射极限。但当泵浦功率升高到某个临界值时，情况会突然发生变化。

模式不稳定（Transverse Mode Instability, TMI），指的是当泵浦功率超过阈值后，光纤中的基模与高阶模（如LP11模）之间发生动态能量耦合。这种耦合不是静态的模式混合，而是kHz量级的周期性动态交换。

模式不稳定发生后，会出现三个典型现象：

一是功率滞涨——继续增加泵浦功率，输出功率不再线性增长，甚至出现下降；

二是时域起伏——输出功率在时域上出现周期性波动，频域上可观测到特征峰；

三是光束质量退化——M2因子增大，远场光斑形态从稳定的单模光斑变成多瓣混合光斑。

这三种现象叠加，意味着激光器虽然还在出光，但输出质量已经不可用。对于工业切割、焊接等对光束质量敏感的应用场景，模式不稳定阈值实际上决定了激光器的可用功率上限。

自2010年德国耶拿大学首次公开报道模式不稳定现象以来，研究人员逐步意识到，这已经成为限制高功率光纤激光器功率提升的核心因素之一。如何提高模式不稳定阈值，成为光纤激光领域的研究热点。

02 反常识发现：热效应主因不是量子亏损

要抑制模式不稳定，先要搞清楚热量从哪里来。

传统观点认为，光纤中的热量主要来自量子亏损。简单说，泵浦光的光子能量高于激光光子，两者的能量差在受激辐射过程中转化为热量。泵浦波长越接近激光波长，量子亏损越小，发热越少。

以掺镱光纤激光器为例，激光波长通常在1060-1080nm。976nm泵浦的量子亏损约为9.6%，而915nm泵浦的量子亏损约为15.2%。按照传统逻辑，976nm泵浦应该发热更少、模式不稳定阈值更高。

但论文作者从热源公式出发，推导出一个被忽视的结论：光纤中的热量不仅与量子亏损有关，还与增益光纤的泵浦吸收系数直接相关。

论文从增益光纤内部的热源公式出发，将泵浦吸收系数代入后发现：热源强度与泵浦吸收系数成正比。吸收系数越高，单位长度光纤吸收的泵浦光越多，产生的热量也越集中。

这意味着，判断泵浦波长对模式不稳定的影响，不能只看量子亏损，还要看泵浦吸收系数。而镱离子的吸收光谱恰好有一个特点：976nm处的吸收系数远高于915nm和940nm。

实验用的30/400μm掺镱光纤，在976nm处的吸收系数为2.73 dB/m，915nm处为0.88 dB/m，940nm处仅为0.68 dB/m。976nm的吸收系数是940nm的4倍。

高吸收系数意味着泵浦光在很短的光纤长度内就被大量吸收，热量集中在光纤前端，形成很高的温度梯度。而温度梯度正是形成热致折射率光栅、诱发模式不稳定的关键条件。

研究团队利用自主开发的光纤激光仿真软件SeeFiberLaser，对三种波长泵浦时的光纤温度分布进行了仿真。结果显示：在1200W泵浦功率下，976nm泵浦时光纤最高温度达到110.89℃，915nm为70.93℃，940nm仅为53.26℃，最高温差接近58℃。

量子效率最高的976nm，反而温度最高；量子效率最低的940nm，温度反而最低。这说明，在模式不稳定这个问题上，泵浦吸收系数的影响超过了量子亏损。

03 三组实验对比：976nm vs 915nm vs 940nm

理论和仿真给出了方向，但最终结论需要实验验证。

研究团队搭建了一台纤芯/包层直径为30/400μm的前向泵浦掺镱光纤激光振荡器，激光中心波长1080nm，增益光纤长度20m。分别采用976nm、915nm和940nm三种半导体激光器作为泵浦源，对比测量模式不稳定阈值。

模式不稳定阈值的判定依据三个特征：功率滞涨、时域周期性起伏（频域特征峰）、光束质量退化。实验中通过功率计、光谱仪、光电探测器和光束质量测试仪同步监测。

第一组：976nm泵浦

976nm是工业激光器最常用的泵浦波长，因为量子效率高、光光转化效率高。实验结果显示，低功率时输出功率随泵浦功率线性增长，光光转化效率最高达到67.7%。但当泵浦功率达到412W时，输出功率达到279W后开始下降，光光转化效率降至48%。时域信号出现周期性起伏，频域观测到模式不稳定特征峰。

976nm泵浦的模式不稳定阈值：279W。

第二组：915nm泵浦

915nm是另一种常用泵浦波长，稳定性较好，但量子效率略低。实验中，泵浦功率达到912W时，最高输出功率502W，光光转化效率61%。继续增加泵浦功率到952W，输出功率下降为468W，时域出现周期性起伏，频域出现特征峰，光束质量M2因子约1.5。

915nm泵浦的模式不稳定阈值：502W。

第三组：940nm泵浦

940nm在工业应用中不多见，但镱离子在940nm处的吸收系数最低。实验结果令人惊喜：泵浦功率达到1144W时，输出功率达到697W，光光转化效率63%。继续增加泵浦功率到1149W，输出功率微降至693W，时域出现特征峰，光束质量M2因子约1.4。

940nm泵浦的模式不稳定阈值：697W。

三组数据放在一起对比，结论非常清晰：

三种泵浦波长模式不稳定阈值对比：940nm是976nm的2.5倍

976nm阈值279W，915nm阈值502W，940nm阈值697W。吸收系数最低的940nm，模式不稳定阈值最高，是976nm的2.5倍。

而光光转化效率方面，976nm最高（67.7%），940nm次之（63%），915nm最低（61%）。三者差距不大，都在60%-68%之间。

这意味着，用940nm泵浦，只牺牲了约4.7个百分点的光光效率，却换来了2.5倍的模式不稳定阈值提升。对于追求高功率、高光束质量的应用场景，这个 trade-off 非常值得。

04 为什么940nm效果最好？三点原理解析

实验结果已经很清楚，但为什么低吸收系数能提高模式不稳定阈值？论文给出了三点机制解释。

原理一：低吸收系数降低温度梯度，抑制热致折射率光栅

模式不稳定的物理机制是热致折射率光栅。光纤中的温度分布不均匀会导致折射率分布不均匀，形成一种折射率光栅。当基模和高阶模在这种光栅中满足相位匹配条件时，就会发生能量耦合，诱发模式不稳定。

吸收系数越低，泵浦光在光纤中的吸收越均匀，热量分布越分散，温度梯度越小。温度梯度小，热致折射率光栅的强度就弱，模式耦合的阈值就高。940nm泵浦时，光纤最高温度仅53.26℃，远低于976nm的110.89℃，温度梯度自然也小得多。

原理二：低吸收系数降低上能级粒子数，抑制空间烧孔

吸收系数较低的泵浦波长对应较低的吸收截面，使得激光器的上能级粒子数较低。上能级粒子数低，意味着粒子数反转分布更均匀，空间烧孔效应减弱。

空间烧孔会导致增益在空间上周期性分布，这种周期性增益分布本身就相当于一种增益光栅，会增强模式耦合。降低上能级粒子数，相当于削弱了这种增益光栅，从而提高模式不稳定阈值。

原理三：低吸收系数增强增益饱和效应

吸收系数较低时，泵浦光在光纤中传输更长的距离才被吸收，增益分布更均匀，增益饱和效应更强。增益饱和会抑制高阶模的增益，因为高阶模的光场分布更靠近纤芯边缘，更容易受到增益饱和的影响。

简单说，增益饱和相当于给高阶模踩刹车，让基模在模式竞争中占据优势，从而提高模式不稳定阈值。

这三个机制叠加，解释了为什么940nm虽然量子亏损更大，但模式不稳定阈值反而更高。在模式不稳定这个问题上，泵浦吸收系数是比量子亏损更关键的变量。

05 工程启示：如何选择泵浦波长

这项研究对光纤激光器的设计和选型有直接的指导意义。

长期以来，976nm泵浦因为量子效率高、光光转化效率高，成为工业光纤激光器的主流选择。但这项研究提醒我们：对于追求高功率、高光束质量的应用场景，976nm可能不是最优解。

在实际工程中，泵浦波长的选择需要综合考虑以下几个因素：

第一，功率等级。如果激光器工作在中低功率（如几百瓦以下），模式不稳定不是主要限制因素，976nm的高光光效率更有优势。但当功率接近或超过模式不稳定阈值时，选择低吸收系数的泵浦波长（如940nm）可以显著提升可用功率。

第二，光束质量要求。如果应用对光束质量敏感（如精密切割、焊接、科研），模式不稳定阈值直接决定可用功率，940nm等低吸收系数波长更合适。如果对光束质量要求不高（如表面处理、熔覆），976nm的高效率可能更经济。

第三，光纤参数。泵浦吸收系数的影响与光纤长度、纤芯直径、掺杂浓度等参数相关。大模场光纤（如30/400μm）更容易出现模式不稳定，泵浦波长选择的影响更显著。小芯径光纤的模式不稳定阈值本身较高，波长选择的影响相对较小。

第四，泵浦源可用性。940nm半导体激光器的功率和成本目前可能不如976nm和915nm成熟，但随着泵浦源技术的发展，这一差距正在缩小。论文作者也指出，下一步将优化泵浦波长，兼顾量子效率和泵浦吸收系数，为实现5-10kW高功率高光束质量光纤激光器提供新的泵浦源方案。

一个实用的判断框架是：当模式不稳定成为功率提升的主要瓶颈时，优先考虑降低泵浦吸收系数；当效率和成本是主要考量时，976nm仍然是合理选择。

光纤激光器的模式不稳定，到底由什么决定？

答案是：泵浦吸收系数，而不是量子亏损。

这不是说量子亏损不重要，而是说在模式不稳定这个特定问题上，泵浦吸收系数的权重更大。976nm虽然量子效率高，但高吸收系数导致热量集中、温度梯度大，反而更容易诱发模式不稳定。940nm虽然量子效率略低，但低吸收系数让热量分布更均匀，模式不稳定阈值提升了2.5倍。

对于光纤激光器的研发和应用者来说，这项研究的启示是：不要被高效率的直觉绑架，要根据实际应用场景的功率和光束质量需求，综合选择泵浦波长。

高功率、高光束质量是光纤激光器永恒的追求。随着大模场光纤的普及和功率水平的不断攀升，模式不稳定的影响会越来越突出。优化泵浦波长，兼顾量子效率和泵浦吸收系数，可能是突破功率天花板的一条重要技术路线。

数据来源：万颖超, 杨保来, 奚小明, 等. 不同泵浦波长光纤激光器模式不稳定效应对比[J]. 红外与激光工程, 2022, 51(4): 20210256. DOI: 10.3788/IRLA20210256

作者单位：国防科技大学前沿交叉学科学院、脉冲功率激光技术国家重点实验室、高能激光技术湖南省重点实验室

核心数据：

- 976nm泵浦：吸收系数2.73 dB/m，光纤最高温度110.89℃，TMI阈值279W，光光效率67.7%

- 915nm泵浦：吸收系数0.88 dB/m，光纤最高温度70.93℃，TMI阈值502W，光光效率61%

- 940nm泵浦：吸收系数0.68 dB/m，光纤最高温度53.26℃，TMI阈值697W，光光效率63%

实验条件：30/400μm掺镱双包层光纤，长度20m，激光波长1080nm，前向泵浦结构