类型a：学术研究报告

中国科学院国防科学技术大学先进交叉科学学院的科研团队（主要作者包括Yang Mingye、Wang Peng等）于2024年11月在期刊*Photonics*（第11卷，1033期）发表了一项高功率光纤激光器的研究，题为《1010 nm直接LD泵浦的6 kW单块锥形掺镱光纤激光器》。该研究聚焦于长波长激光二极管（LD）泵浦技术对横向模式不稳定性（TMI）和受激拉曼散射（SRS）的抑制，旨在提升光纤激光器的输出功率与热管理效能。

学术背景
高功率掺镱光纤（YDF）激光器在工业加工、医疗和通信领域应用广泛，但其功率提升受限于TMI（横向模式不稳定性）和SRS（受激拉曼散射）等非线性效应。TMI由量子缺陷热效应引发，导致光束质量退化；SRS则与纤芯功率密度和光纤长度相关。传统976 nm泵浦因量子缺陷较大，热管理难度高。研究团队提出改用1010 nm长波长LD泵浦，通过降低量子缺陷（quantum defect）和优化光纤结构（如锥形光纤）来平衡TMI与SRS的抑制矛盾，实现高效、高功率输出。

研究流程
1. 实验设计：
- 主控振荡功率放大器（MOPA）结构：系统由种子源和放大器两级构成。种子源采用976 nm LD反向泵浦，输出1080 nm激光（功率90 W，线宽1.1 nm）；放大器级采用1010 nm LD双向泵浦配置（正向6组LD，功率1758 W；反向18组LD，功率5341 W）。
- 锥形掺镱光纤（TYDF）：自主设计三段式渐变结构，前端纤芯/包层直径30/250 μm（15 m），后端48/400 μm（15 m），中间30 m过渡区。纤芯数值孔径（NA）0.065，包层吸收系数0.36 dB/m。该设计通过增大后端模场面积降低功率密度，抑制SRS；前端小纤芯限制高阶模，提升TMI阈值。

1. 关键实验：

   • 泵浦源验证：测试1010 nm LD的输出特性（功率290 W，电光效率47%，波长随电流红移），证明其适用于宽温操作（-50°C至50°C）。
     
   • 功率放大测试：
     
     • 反向泵浦阶段：18组LD注入，输出功率4660 W（光-光效率89.1%），未观测到SRS特征峰（抑制比>50 dB）。
       
     • 双向泵浦阶段：额外加入6组正向LD，总泵浦功率7099 W，输出功率提升至6030 W（光-光效率83.7%），光束质量M²因子从3.2（种子光）轻微劣化至3.3。
       

2. 数据分析：

   • 时域/频域信号分析显示无动态TMI（频率域无高强度峰）；光谱分析表明SRS抑制效果显著（1080 nm主峰旁无拉曼峰）。
     
   • 通过拆解测试各组件（如模式适配器、泵浦合束器）对光束质量的影响，发现正向合束器（FPSF）和锥形光纤是M²劣化的主要因素（贡献度达0.5-0.6）。
     

主要结果
1. 功率与效率：双向泵浦下实现6030 W输出，斜率效率84.6%，为目前1010 nm LD泵浦领域最高记录。
2. 非线性效应抑制：通过长波长泵浦（量子缺陷降低至7.4%）和锥形光纤设计，同步抑制TMI与SRS，未出现动态模式不稳定性或显著拉曼散射。
3. 温适应性：1010 nm LD的波长温漂特性（0.32 nm/°C）使其适用于极端环境（如-50°C低温启动）。

结论与价值
本研究通过创新性泵浦策略（1010 nm LD）和光纤结构设计（长锥形YDF），解决了高功率光纤激光器中TMI与SRS的权衡难题。科学价值在于：
1. 验证长波长泵浦对热管理的有效性，为后续量子缺陷优化提供新思路；
2. 锥形光纤的工程化应用证明其可兼顾模式控制与非线性抑制。
应用潜力包括宽温域操作（如航空航天）和工业高功率切割/焊接。

亮点
1. 泵浦创新：首次将非稳频1010 nm LD用于6 kW级光纤激光器，突破传统976 nm泵浦的热瓶颈。
2. 结构优化：自主设计的长锥形光纤通过渐变模场面积，实现SRS阈值提升与TMI抑制的协同。
3. 高性价比：直接LD泵浦方案比级联泵浦更紧凑、成本更低，适合产业化推广。

其他发现
研究指出，进一步优化泵浦合束器（如提升正向耦合能力）和锥形光纤的掺杂分布（如磷/铝共掺比例），可进一步改善光束质量与功率上限。