近日，中國科學院上海光學精密機械研究所高功率激光單元技術實驗室胡麗麗研究員團隊在超短脈沖大模場多組分玻璃光纖放大器方面取得重要進展。相關研究成果于5月在線發表于《中國激光》。 大能量、高峰值功率超短脈沖激光在遠距離激光雷達、地震探測、主動照明等領域具有重要應用價值。主振蕩脈沖放大系統（MOPA）是超短脈沖激光的主要運行方式，其中有源增益光纖是關鍵核心部件。目前，傳統有源石英光纖存在稀土離子溶解度有限、難以保證低數值孔徑（NA）纖芯制備的均勻性等問題，導致其使用長度較長（數米），纖芯直徑通常小于40μm，具有較低的非線性閾值，進而限制其輸出的脈沖能量。相比之下，多組分氧化物玻璃具有稀土摻雜濃度高、光學均勻性好等優勢，能夠獲得模場面積大、吸收系數高的大模場增益光纖，從而大幅提升大能量脈沖放大的非線性閾值。 然而，大模場光纖的制備難點在于降低數值孔徑的同時保持極高的均勻性。例如，要實現NA為0.03的單模摻Yb光纖，則需要纖芯與包層玻璃的折射率差值小于3×10-4，這要求玻璃本身的光學均勻性達到10-5量級。 圖 1. 摻Yb磷酸鹽大模場光纖脈沖激光放大器結構圖 Fig. 1. Structural diagram of pulsed laser amplifier using Yb-doped large-mode-area phosphate fiber 研究團隊從大尺寸、高光學均勻性磷酸鹽激光玻璃的制備工藝出發，采用光學均勻性約為1×10-6的高摻Yb磷酸鹽玻璃作為光纖基質，在自研高摻Yb大模場磷酸鹽光纖中實現了平均功率27.3W的脈沖激光放大輸出。該系統采用摻Yb大模場磷酸鹽雙包層光纖（30/135/280μm）與匹配無源石英光纖（20/130μm）異質熔接的全光纖方案（熔點損耗為0.3 dB），結構如圖1所示。其中，信號光波長為1030nm、脈寬為30ps、重復頻率為27MHz，摻Yb磷酸鹽光纖的纖芯和內包層的NA分別為0.03和0.41，纖芯中Yb2O3質量分數為6%，背景損耗為0.6 圖 2. 放大的脈沖激光的平均功率隨泵浦功率的變化，插圖是輸出激光的光斑和光譜 Fig. 2. Average power of amplified pulsed laser versus pump power with spot and spectrum of output laser shown in inset
1300nm，使用長度為30cm；采用976 nm包層泵浦，獲得放大后脈沖激光的平均功率如圖2所示，最大輸出平均功率為27.3W，斜率效率為71.4%，同時未觀察到受激布里淵散射等非線性效應。該結果體現出了磷酸鹽玻璃在高摻雜能力、高光學均勻性以及高非線性閾值的優勢。
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