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。
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0.61300nm，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。
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
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
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