新突破！单纤实现5kW环形光束激光输出

封面解析：

封面展示了一台组装完毕的高功率光纤激光器，内部的增益光纤可支持多种激光模式（如图中心4种光斑模式）。为了实现环形光束输出，需对光纤进行合理的弯曲盘绕，光纤弯曲参数是由自行研制的SeeFiberTool（SFT）软件仿真计算得出，最终成功实现了5 kW环形激光输出，满功率稳定输出一小时无异常。整机前面板处标识了输出功率及拷机稳定性，输出准直器出口附近展示了环形光斑三维图像。

封面文章| 王鹏; 杨保来; 张汉伟; 奚小明; 史尘; 王小林; 许晓军; 双端泵浦5kW环形光束光纤激光振荡器[J].光学学报, 2022, 42 (05):0514004.

1、研究背景

目前，工业加工中常用的光纤激光器一般都是高斯光束输出，经准直聚焦系统后汇聚到材料表面以获得最小的作用面积和最大的功率密度。然而，激光能量密度的过于集中会导致切割断面上产生波浪纹，粗糙度也会增加，切割质量下降，还很容易产生飞溅颗粒物，造成表面粗糙度变化，划伤母材，污染目镜等光学介质。

图1 光纤激光工业加工（图片来源于网络）

经过长期验证，具有环形能量光斑的激光器切割厚板的断面比高斯光斑激光器的切割断面更加细腻，粗糙度更低，切割质量更好，还能极大地降低焊接时飞溅的产生。国内已经有相关激光公司生产出了单腔3 kW及4 kW环形光斑连续光纤激光器，但受限于光纤非线性效应及模式不稳定效应，未有5 kW级的相关报道。

2、环形光束光纤激光振荡器

高功率环形光束光纤激光器具有与普通高斯光束光纤激光器完全不同的能量分布特性，在工业加工领域有着独一无二的用途。然而，受限于动态模式不稳定效应和受激拉曼效应，传统光纤激光器难以直接实现高功率环形激光输出。

本文利用自研光纤激光仿真软件SeeFiberTool软件对大模场增益光纤支持的激光模式及其在不同光纤弯曲程度下的模式损耗特性进行了仿真分析，计算出了不同模式激光在不同功率占比情况下对应的输出激光强度分布特性及其光束质量。

基于仿真计算结果，通过优选光纤类型，利用商业化的25/400 μm大模场掺镱光纤和915 nm半导体泵浦源搭建了双端泵浦的光纤激光振荡器（如图2所示），通过对光纤模式控制及前后向泵浦功率的合理调控，实现了环形光束激光输出，最大输出功率达到5 kW，没有显著的受激拉曼现象和动态模式不稳定效应。光束质量测试结果表明该光纤激光振荡器可以在输出功率2 kW以上实现标准的环形光束出射，光斑能量分布均匀，环形区域与中心强度比最大可达1.6。

图2 5 kW环形光束光纤激光振荡器结构示意图

此外，还对该光纤激光振荡器进行了一小时满功率拷机实验（如图3所示），测得其输出功率波动仅为0.4%，十分稳定。各部位光纤器件的温度也处于可接受范围内，可以满足工业加工对其安全稳定性的要求。结合光纤激光振荡器优异的抗反射特性，本文搭建的高功率环形光束光纤激光振荡器在工业加工领域有着很大的应用潜力，后续还可以继续对其结构和相关参数进行改进，实现更高功率和更高环-心能量比的激光输出。

图3 （a）光纤激光振荡器一小时拷机功率数据曲线；（b）光纤激光振荡器满功率拷机时的热像图

3、展望

后续工作将集中于以下几个方面：（1）通过增大泵浦功率、采用大纤径增益光纤、优化泵浦功率分布等技术手段实现更高功率激光输出；（2）进一步优化光纤盘绕方式或采用大纤径增益光纤并结合光纤模式控制手段实现环-心能量比更高的激光输出。