国产工业级准单模光纤振荡器实现5.16 kW激光输出

高功率准单模全光纤激光振荡器具有结构紧凑、稳定性高、光束质量好的优点，与主振荡放大（MOPA）结构的光纤激光器相比，其防回光能力更强，被广泛应用于先进工业制造加工。为了满足大幅面材料加工的需求，工业级光纤振荡器通常需要配备长度不少于15 m的能量传输光纤。长距离的传输光纤对光纤振荡器的受激拉曼散射效应抑制提出了更严格的要求。

       近年来，随着光纤器件性能改进和特种光纤的发明，工业级光纤振荡器的输出功率迅速提升。2018年，日本藤仓公司报道了5 kW工业级单模光纤振荡器，其能量传输光纤达到了20 m。目前，国产单模光纤振荡器的输出功率普遍在3 kW量级，所用能量传输光纤长度通常不超过10 m。

        2020年4月，湖南大科激光有限公司采用976 nm 波长半导体激光器泵浦技术，在保证泵浦光充分吸收和激光器光光转换效率的同时，缩短增益光纤长度，提高激光器受激拉曼散射阈值，采用增益光纤盘绕技术抑制模式不稳定，提高输出光束质量，实现了工业级5.16 kW准单模全光纤振荡器，能量传输光纤（芯径50 μm, NA 0.12）长度达到20 m。

       激光器结构如图１所示，包括976 nm LD、前向泵浦合束器、高反光栅(HR)、掺镱光纤(YDF)、低反光栅(OC)、后向泵浦/信号合束器、包层光滤除器（CPS）、能量传输光纤和输出端帽(QBH) 。所用光纤光栅对的中心波长为1080 nm，掺镱光纤的模场面积约为400 μm2。5.16 kW功率输出时的光谱如图2所示，未出现受激拉曼散射效应。

图1  5.16kW准单模全光纤振荡器结构图

图2  5.16kW输出时的输出光谱

当注入泵浦功率为6258 W时，输出功率达到5160 W，对应的转换效率为82.5%。输出光束质量因子（M2）维持在2.4左右，没有出现模式不稳定现象，最高功率时的M2=2.38，测试结果及远场光斑形态如图3所示。对激光器进行8小时满功率拷机测试，输出功率波动小于±1.5%。

图3  输出功率和光束质量随泵浦功率的变化及远场光斑形态

目前正在进行该激光器在金属切割、焊接等方面的应用工艺研究，测试其在工业激光加工中的稳定性，充分发挥其效能。

图4 大科激光5kW准单模光纤激光器产品样机图