由于受激拉曼散射(SRS)和横模模式不稳定 (TMI) 效应的共同制约，实现高功率输出的同时保持高光束质量存在一定的困难。基于后向同带泵浦方案，在自研30 μm/250 μm常规双包层掺镱光纤中实现了高功率(8.38 kW)、高光束质量 (光束质量因子M²为1.8) 的激光输出。SRS和TMI得到了有效抑制，但功率的进一步提升受限于泵浦功率。

同带泵浦是目前实现高功率光纤激光器的主要技术之一。报道了一种自主研制的同带泵浦掺镱双包层光纤，采用改进的化学气相沉积工艺结合液相掺杂工艺，通过纤芯组分设计和制棒工艺优化，提高了高掺杂光纤纤芯折射率的均匀性。基于所研制的47 μm /400 μm光纤搭建了全光纤化主振荡功率放大器，采用同带泵浦方式，实现了高受激拉曼散射(SRS)抑制比的20.88 kW激光输出，中心波长为1080 nm，斜率效率为82.7%。这是目前国产光纤以同带泵浦方式实现的最高功率。

同带泵浦是提升单纤输出能力的有效手段。在传统双包层光纤研究的基础上,为了进一步提高涂覆层的耐受性,本课题组制备了适用于同带泵浦的三包层大模场掺镱光纤,使大部分泵浦光束缚在含氟石英层内传输,大大减轻了泵浦光对低折射率涂层的冲击。基于所研制的三包层光纤搭建了全光纤化主控振荡功率放大器,实现了9010 W激光输出,激光中心波长为1080 nm,斜率效率为80.5%。三包层光纤的使用对万瓦级以上高功率激光光纤的长期可靠运行具有重要意义。

采用溶胶-凝胶法结合纳米粉体高温烧结工艺制备了Yb-Al、Yb-Al-P和Yb-P三个体系共掺石英玻璃,系统探究了Al ³⁺和P ⁵⁺的含量变化对掺Yb ³⁺石英玻璃在1018 nm处吸收和荧光性能的影响规律。通过对比不同掺杂体系在1018 nm处的光谱性能发现,随着P ⁵⁺掺杂浓度的提高,1030 nm附近的荧光次峰蓝移至1018 nm附近,Yb-P掺杂石英玻璃系列样品在1018 nm处的归一化荧光强度明显优于其他系列。利用Raman光谱结合超低温电子顺磁共振(EPR, 4 K)从原子尺度上对Yb ³⁺的配位环境进行了精确解析。Al ³⁺和P ⁵⁺的引入使得Yb ³⁺的配位环境迥异,这与Al ³⁺、P ⁵⁺对Yb ³⁺在1018 nm处光谱性质的影响规律相符。

同带泵浦具有泵浦源亮度高、量子亏损低等优点,是实现光纤激光器功率提升的有效措施。采用稀土螯合物全气相掺杂技术和改进的化学气相沉积工艺(MCVD)制备了适用于同带泵浦的镱掺杂铝磷硅体系光纤。所研制的50/400光纤构建的全光纤结构主振荡功率放大器采用同带泵浦方式,实现了9.82 kW的激光功率输出,激光中心波长为1080.08 nm,3 dB带宽为1.62 nm,斜率效率为86.8%。研究结果表明镱掺杂的铝磷硅光纤激光材料是同带泵浦高功率光纤激光系统的优选增益介质,稀土螯合物全气相掺杂技术和MCVD是获得该种材料的有效手段。

同带泵浦结构是使激光器单根光纤达到输出功率极限的实现方法之一。文章针对同带泵浦结构激光器开展了研究, 首先通过建立简化模型进行数值模拟, 确定了同带泵浦结构激光器的最佳泵浦波长应位于1 010～1 030 nm; 然后研制了高效率1 018 nm光纤并进行了激光性能测试和对比分析。结果表明, 通过共掺使Yb3+离子发射次峰蓝移, 能促进1 018 nm激光的输出; 增大芯包比有助于提高1 018 nm输出激光效率。

搭建了1018 nm 全光纤激光系统，实验研究了增益光纤长度、光纤布拉格光栅的反射率以及增益光纤的芯包比等参数对1018 nm 激光性能的影响。实验研究表明：对于双包层掺镱光纤，可通过减小增益光纤长度使短波长激光获得更大增益，进而实现1018 nm 激光输出；通过增加低反布拉格光栅反射率和增益光纤芯包比可以更好地抑制自发辐射以及提升激光器的效率。基于15/130 μm 的国产双包层掺镱光纤，在1018 nm 波段获得了大于150W 的激光输出，光光转换效率为71%，自发辐射得到了有效的抑制。

模式不稳定指高功率光纤激光随着输出功率提升发生的模式突变，会导致光束质量下降。基于模式耦合模型，对量子噪声、强度噪声等引起的高功率光纤激光模式不稳定出现的阈值功率进行了详细分析和计算。研究结果表明，采用级联抽运方案和部分掺杂方式可以使模式不稳定性出现的阈值功率提高2~5倍。增加初始注入信号光功率、抑制注入信号激光的强度噪声和高阶模成分也可以提高阈值功率。研究结果为高功率光纤激光系统的设计提供一定参考。

设计并制作了输出功率为196 mW的级联式全光纤1020 nm光源。该光源采用光纤拉曼放大器与掺镱光纤放大器级联的放大方案，实现了对低功率1020 nm种子光的放大。在光纤拉曼放大级，采用了3段不同长度的拉曼增益光纤进行了对比实验，比较了一定信号光功率和抽运光功率下拉曼增益光纤长度对光纤拉曼放大级输出功率的影响；测量了拉曼增益光纤长度为3150 m时光纤拉曼放大级输出光的光谱特性。研究了掺镱光纤放大级输出光的光谱特性和功率特性。实验得到的1020 nm光源为研究1064 nm光纤激光器同带抽运特性提供了抽运源。同时，该1020 nm光源所采用的基于光纤拉曼放大的级联式全光纤放大方案还可用于其他特殊波段低功率种子光的放大。