近期，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部、王之江激光创新中心研究团队在高功率掺铥光纤激光器光束质量预测研究与熔接质量提升方面取得进展。相关研究成果以“Beam quality prediction for Tm-doped fiber system based on finite-difference beam propagation method”和“Influence of pedestal fiber splice on Tm-doped fiber laser performance”为题分别发表于Physica scripta和IEEE Photonics Journal。
波长处于1900~2100nm范围的高功率掺铥光纤激光器(TDFLs)在生物医疗、塑料加工、激光雷达、吸收光谱诊断、中红外激光泵浦源等领域具有广阔的应用前景。在高功率情况下，量子亏损所导致的热沉积会使得有源光纤内部出现较严重的热致折射率变化，从而影响输出光束的质量。如何平衡高功率掺铥光纤激光器众多设计参数、预测和改善激光输出性能、实现高光束质量的激光输出是一个亟待解决的问题。
本项工作中，针对具有复杂折射率和不同弯曲半径的有源光纤，研究人员通过有限差分光束传输法(FD-BPM)仿真模拟了给定参数激光器内部的光束传输情况，并根据最终输出光斑的轮廓预测给出了激光器的输出光束质量。将不同激光功率光束质量数值计算结果与典型实验研究结果进行对比发现，预测结果与实验结果的偏差小于10%，从而验证了所建立光束质量预测模型的准确性。
同时，通过数值模拟和实验探索，研究人员深入分析了含基座掺铥光纤熔接质量对激光器输出性能的影响，通过熔接参数仿真与熔接工艺优化，实现了功率202W的1940nm掺铥光纤激光高性能稳定输出：与初始的熔接参数相比，光光转换效率由39.6%提升至48.4%，光束质量由M2x=10.55、M2y=11.89提升至M2x=2.17、M2y=2.26。本研究为高功率、高光束质量TDFL的设计提供了理论指导。
图1. 光束质量预测模型示意图
图2. 高功率掺铥光纤激光器装置结构图
图3. (a)熔接质量提升前后输出功率对比；(b)熔接质量提升前的光束质量；(c)熔接质量提升后的光束质量
